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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 生物式雙目立體全方位視覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用
- 來(lái)源：
- 第十一屆“挑戰(zhàn)杯”國(guó)賽作品
- 小類(lèi)：
- 信息技術(shù)
- 大類(lèi)：
- 科技發(fā)明制作A類(lèi)
- 簡(jiǎn)介：
- 本項(xiàng)目針對(duì)這些典型的視覺(jué)“病態(tài)”計(jì)算問(wèn)題，對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配、三維重構(gòu)等技術(shù)進(jìn)行了研究。首先，采用平均角分辨率和二次折反射成像技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的ODVS，然后將兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的ODVS進(jìn)行背靠背連接，實(shí)現(xiàn)了360°*360°視覺(jué)范圍的雙目立體視覺(jué)裝置。再者，建立空間統(tǒng)一的高斯球面坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，并利用雙目立體ODVS的特性，簡(jiǎn)化了攝像機(jī)標(biāo)定、特征點(diǎn)的匹配等繁瑣的步驟。
- 詳細(xì)介紹：
- 視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)具有大量程、非接觸、速度快、系統(tǒng)柔性好、精度高等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用在物體的三維測(cè)量與立體圖像重構(gòu)等領(lǐng)域。對(duì)于立體視覺(jué)檢測(cè)方法而言，立體匹配是立體視覺(jué)檢測(cè)最為關(guān)鍵的問(wèn)題，但是至今為止仍未找到一種通用快速的立體匹配算法，在攝像機(jī)標(biāo)定、特征提取和立體圖像匹配方面還存在著一些難以解決的問(wèn)題。本項(xiàng)目針對(duì)這些典型的視覺(jué)“病態(tài)”計(jì)算問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的雙目立體全方位視覺(jué)傳感器（Binocular Stereo Omni-Directional Vision Sensor，BSODVS），利用二次折反射的成像原理設(shè)計(jì)折反射鏡面，利用4階Runge-Kutta算法求得了鏡面曲面的數(shù)字解，通過(guò)組合鏡頭的設(shè)計(jì)方法將ODVS與廣角鏡頭集成在一起來(lái)消除原有ODVS的固有死角，最后將兩個(gè)相同參數(shù)的具有平均角分辨率的ODVS以背靠背的方式合成為一個(gè)雙目立體ODVS。在視頻數(shù)據(jù)采集、信息加工及表達(dá)上均采用高斯球坐標(biāo)方式，避免了目前在三維測(cè)量與立體圖像重構(gòu)時(shí)多次坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。利用兩個(gè)具有相同參數(shù)的ODVS能方便地對(duì)齊特征點(diǎn)的方位角來(lái)實(shí)現(xiàn)快速的立體圖像匹配，簡(jiǎn)化了攝像機(jī)標(biāo)定、特征點(diǎn)的匹配等繁瑣的步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該傳感裝置能簡(jiǎn)化立體視覺(jué)測(cè)量計(jì)算的復(fù)雜性、容易實(shí)現(xiàn)立體圖像匹配。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 設(shè)計(jì)目的： 研制一種360°*360°視覺(jué)范圍且又無(wú)死角的雙目立體全方位視覺(jué)傳感器，并利用雙目視覺(jué)范圍實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè)。 基本思路： 1.設(shè)計(jì)一種具有平均角分辨率的無(wú)死角全方位視覺(jué)傳感器 2.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，將兩個(gè)ODVS進(jìn)行背靠背連接 3.實(shí)現(xiàn)圖像展開(kāi)、極線(xiàn)對(duì)齊、立體匹配算法等處理 4.在雙目視覺(jué)重疊區(qū)域，實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè) 技術(shù)關(guān)鍵： ①折反射鏡面設(shè)計(jì)②平均角分辨率設(shè)計(jì)③雙目立體全方位視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)④雙目視覺(jué)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè) 主要技術(shù)指標(biāo)： ①水平和垂直視覺(jué)范圍達(dá)到360°*360°；②雙目視覺(jué)重疊區(qū)域?yàn)榱Ⅲw視覺(jué)范圍，立體視覺(jué)范圍為60°*360°③自動(dòng)測(cè)量距離，在0.2米~5.0米范圍內(nèi)測(cè)距，測(cè)量精度較高，測(cè)量誤差在2%以?xún)?nèi)。在5.0米~50.0米范圍內(nèi)，隨著測(cè)量距離的增加，誤差越大； ④實(shí)時(shí)獲取雙目立體視頻圖像，并實(shí)時(shí)進(jìn)行柱狀展開(kāi)；⑤手動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)行極線(xiàn)匹配，極線(xiàn)匹配的精度在一個(gè)像素內(nèi)。 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)： 1.折反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)裝置小型化、微型化； 2.平均角分辨率，為高斯球面坐標(biāo)建立和三維立體重構(gòu)提供技術(shù)支持； 3.雙目立體全方位視覺(jué)傳感器設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)獲取360°*360°全方位立體視頻圖像； 4.不再需要繁瑣的攝像機(jī)標(biāo)定，立體匹配快速穩(wěn)定； 5.在雙目視覺(jué)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè)功能。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1. 研制一種360°*360°視覺(jué)范圍且又無(wú)死角的雙目立體全方位視覺(jué)傳感器，并利用雙目視覺(jué)范圍實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè)。 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題：①需要很多攝像頭才能獲得360°*360°全球視頻圖像，并存在標(biāo)定、數(shù)據(jù)融合等問(wèn)題； 2.在雙目結(jié)構(gòu)上，使得上下ODVS在同一軸線(xiàn)上，任何極線(xiàn)面都通過(guò)軸線(xiàn)，為快速立體圖像匹配提供了良好的基礎(chǔ)；實(shí)現(xiàn)一種快速立體圖像匹配的算法，使立體匹配的視差搜索由二維降為一維內(nèi)的1/3?，F(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題：①立體視頻技術(shù)在標(biāo)定、匹配及重構(gòu)方面的基礎(chǔ)性問(wèn)題還沒(méi)有很好解決，屬于“病態(tài)計(jì)算”問(wèn)題； 3.采用統(tǒng)一的高斯球面坐標(biāo)；簡(jiǎn)化了攝像機(jī)標(biāo)定、匹配過(guò)程中歐氏空間與高斯空間之間的多次轉(zhuǎn)化，為實(shí)時(shí)快速運(yùn)算提供了技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)所獲得的立體視圖更具有立體感、沉浸感，計(jì)算景物的空間位置更加方便。 現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題：①在標(biāo)定、匹配過(guò)程中的歐氏與高斯空間之間多次轉(zhuǎn)化，實(shí)時(shí)性差，浪費(fèi)資源；②以物為中心的重構(gòu)方式不具有沉浸感、同時(shí)知覺(jué)和融合力。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 發(fā)表論文： 1.成員.全球面無(wú)死角的全方位視覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)[J]. 高技術(shù)通信, 2009, 19(6):51-56 2.無(wú)死角的全方位視覺(jué)傳感器的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2009, 30(5):916-920. 3.成員.Kind of Stereovision Measurement Device Based on Binocular Omni-Directional Vision Sensor[A]. Proc of the 3rd International Conference on Sensing Technology[C]. Taiwan: IEEE Press, 2008.135-141. 4.成員.Design of Omni-Directional Vision Sensors without dead angle [A]. Proc of the 3rd International Conference on Sensing Technology[C]. Taiwan: IEEE Press, 2008.446-451. 5.成員.寬動(dòng)態(tài)全方位視覺(jué)傳感器[J].安防科技,2008,9:3～6. 6.成員. 環(huán)境友好型全方位監(jiān)控裝置[J]. 安防科技, 2008, 6:3～6. 受資助情況： 2008年該項(xiàng)目被浙江省科技廳確立為“省新苗人才計(jì)劃”項(xiàng)目并獲基金資助，項(xiàng)目編號(hào)：2008R40G2020014。 獲獎(jiǎng)情況： 2009年6月，在浙江省舉行的第十一屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽中獲二等獎(jiǎng)。 2008年12月，在本校舉行的第二十屆“運(yùn)河杯”大學(xué)生課外科技作品競(jìng)賽中獲本科生組特等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 合作生產(chǎn)或者技術(shù)轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 作品特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 開(kāi)發(fā)出雙目立體全方位視覺(jué)傳感器實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)品，解決目前計(jì)算機(jī)視覺(jué)在圖像獲取手段上的瓶頸問(wèn)題。申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利一項(xiàng)、投A類(lèi)以上刊物論文兩篇。 ①實(shí)時(shí)獲取360°*360°全方位立體視頻圖像。②不再需要繁瑣的攝像機(jī)標(biāo)定工作、特征提取十分方便、能實(shí)現(xiàn)快速的立體圖像匹配。③平均角分辨率設(shè)計(jì)。④采用折反射技術(shù)，不存在固定焦距的問(wèn)題，在任何區(qū)域范圍內(nèi)圖像的清晰度是一樣的。⑤在雙目視覺(jué)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)空間距離檢測(cè)。 該作品的適應(yīng)范圍及推廣前景： 實(shí)時(shí)雙目立體視覺(jué)技術(shù)是不斷創(chuàng)新和發(fā)展的技術(shù)，在目標(biāo)識(shí)別、虛擬現(xiàn)實(shí)、機(jī)器人導(dǎo)航等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 傳感技術(shù)是一切信息技術(shù)的源頭，如果通過(guò)本項(xiàng)目的研究能解決好360°*360°全方位立體視覺(jué)的傳感，將對(duì)機(jī)器人定位與導(dǎo)航、障礙物檢測(cè)以及三維場(chǎng)景感知等場(chǎng)合乃至我們?nèi)粘Ｉ畹雀鞣矫娈a(chǎn)生重大影響，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益前景。
同類(lèi)課題研究水平概述
- 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研院所對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域涉及的攝像機(jī)標(biāo)定、立體匹配、三維重構(gòu)等技術(shù)做了許多深入的研究。下面簡(jiǎn)要介紹一下相關(guān)方面的研究狀況。國(guó)外研究現(xiàn)狀 麻省理工學(xué)院提出了一種新的用于智能交通工具的傳感器融合方式，由雷達(dá)系統(tǒng)提供目標(biāo)深度的大致范圍，利用立體視覺(jué)提供粗略的目標(biāo)深度信息，結(jié)合改進(jìn)的圖像分割算法，能夠在高速環(huán)境下對(duì)視頻圖像中的目標(biāo)位置進(jìn)行分割，而傳統(tǒng)的目標(biāo)分割算法難以在高速實(shí)時(shí)環(huán)境中得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。 華盛頓大學(xué)與微軟公司合作為火星衛(wèi)星“探測(cè)者”號(hào)研制了寬基線(xiàn)立體視覺(jué)系統(tǒng)，使“探測(cè)者”號(hào)能夠在火星上對(duì)其即將跨越的幾千米內(nèi)的地形進(jìn)行精確的定位和導(dǎo)航。系統(tǒng)使用同一個(gè)攝像機(jī)在“探測(cè)者”的不同位置上拍攝圖像對(duì)，拍攝間距越大，基線(xiàn)越寬，能觀測(cè)到越遠(yuǎn)的地貌。系統(tǒng)采用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化得到兩次拍攝圖像時(shí)攝像機(jī)的相對(duì)準(zhǔn)確的位置，利用魯棒性強(qiáng)的最大似然概率法結(jié)合高效的立體搜索進(jìn)行圖像匹配，得到亞像素精度的視差，并根據(jù)此視差計(jì)算圖像對(duì)中各點(diǎn)的三維坐標(biāo)。相比傳統(tǒng)的體視系統(tǒng)，能夠更精確地繪制“探測(cè)者”號(hào)周?chē)牡孛埠鸵愿叩木扔^測(cè)到更遠(yuǎn)的地形。 上述研究工作基本上采用了兩個(gè)CCD攝像頭作為立體視覺(jué)的獲取手段，因此存在著視覺(jué)范圍有限，在實(shí)際應(yīng)用中視覺(jué)的主動(dòng)性和有選擇性相矛盾的問(wèn)題十分突出。 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 浙江大學(xué)利用透視成像原理，采用雙目體視方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)多自由度機(jī)械裝置的動(dòng)態(tài)、精確位姿檢測(cè)，僅需從兩幅對(duì)應(yīng)圖像中抽取必要的特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)即可。該方法信息量少，處理速度快，尤其適于動(dòng)態(tài)情況。與手眼系統(tǒng)相比，被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)對(duì)攝像機(jī)沒(méi)有影響，且不需知道被測(cè)物的運(yùn)動(dòng)先驗(yàn)知識(shí)和限制條件，有利于提高檢測(cè)精度。 哈工大采用異構(gòu)雙目活動(dòng)視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航。將一個(gè)固定攝像機(jī)和一個(gè)可以水平旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)，分別安裝在機(jī)器人的頂部和中下部，可以同時(shí)監(jiān)視不同方位視點(diǎn)，體現(xiàn)出比人類(lèi)視覺(jué)優(yōu)越的一面。通過(guò)合理的資源分配及協(xié)調(diào)機(jī)制，使機(jī)器人在視野范圍、測(cè)距精度及處理速度方面達(dá)到最佳匹配。雙目協(xié)調(diào)技術(shù)可使機(jī)器人同時(shí)捕捉多個(gè)有效目標(biāo)，觀測(cè)相同目標(biāo)時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)融合，也可提高測(cè)量精度。在實(shí)際比賽中其他傳感器失效的情況下，僅僅依靠雙目協(xié)調(diào)仍然可以實(shí)現(xiàn)全自主足球機(jī)器人導(dǎo)航。
