視覺導(dǎo)航綜述

1、視覺導(dǎo)航及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)綜述摘要：本文概述視覺導(dǎo)航技術(shù)。視覺導(dǎo)航通過圖像采集設(shè)備收集近距離的環(huán)境信息，并利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行圖像處理獲得環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。首先比較了各種導(dǎo)航方式的優(yōu)缺點(diǎn)，分析視覺導(dǎo)航的意義。接著概述了視覺導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀，然后分析比較了視覺導(dǎo)航中的一些關(guān)鍵技術(shù)，簡(jiǎn)單介紹了視覺導(dǎo)航領(lǐng)域的SLAM問題。最后，綜合國(guó)內(nèi)外視覺導(dǎo)航技術(shù)研究存在問題，提出進(jìn)一步研究方向和應(yīng)用途徑。關(guān)鍵詞：視覺導(dǎo)航；移動(dòng)機(jī)器人；智能車輛；圖像匹配；路徑識(shí)別 0 引言 在當(dāng)今世界的先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域里，往往存在這樣的問題：為了完成某種特殊的任務(wù)，需要在已知或者未知環(huán)境中，使特殊的能完成既定任務(wù)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備或

2、平臺(tái)按照既定的且滿足最優(yōu)條件的路徑運(yùn)動(dòng)或者到達(dá)既定目的地，這一類的問題便是導(dǎo)航。對(duì)于一般的導(dǎo)航系統(tǒng)，在給定命令的前提下，結(jié)合環(huán)境中的各種探測(cè)信息，并根據(jù)自身位姿信息作出決策使運(yùn)動(dòng)體而到達(dá)目標(biāo)，在運(yùn)動(dòng)過程中，還需要不斷優(yōu)化全局路徑。導(dǎo)航系統(tǒng)需要完成的任務(wù)包括以下三點(diǎn)：一，獲取信息；二，處理信息；三，作出決策（即路徑規(guī)劃）。目前廣泛使用的導(dǎo)航方法有1：航標(biāo)法，航位推算法，天文導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航，無線電導(dǎo)航，衛(wèi)星定位導(dǎo)航和組合導(dǎo)航等。下文對(duì)各種導(dǎo)航方法對(duì)比說明。航標(biāo)法習(xí)慣稱之為目視方法，它借助于信標(biāo)和參照物對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行引導(dǎo)。目前仍在應(yīng)用，但是這種方法過于依賴經(jīng)驗(yàn)，受天氣、地理?xiàng)l件的影響。航位推算法是通

3、過一系列的速度增量來確定位置的，是一種自主導(dǎo)航方法，保密性強(qiáng)。但是隨著時(shí)間推移會(huì)產(chǎn)生誤差積累。天文導(dǎo)航是通過儀器設(shè)備對(duì)天體的位置精確測(cè)定，根據(jù)地理關(guān)系算出位置的相對(duì)導(dǎo)航方法，其缺點(diǎn)是誤差積累受時(shí)間和氣象條件限制，定位時(shí)間長(zhǎng)，操作計(jì)算復(fù)雜1。慣性導(dǎo)航通過加速度測(cè)量技術(shù)和積分技術(shù)的綜合應(yīng)用得到運(yùn)動(dòng)體的速度和位置信息。這種導(dǎo)航技術(shù)完全依靠載體上的設(shè)備自主完成導(dǎo)航任務(wù)，因此隱蔽性好，不受外界條件限制。但是加速度及精度和誤差積累嚴(yán)重限制該方法的應(yīng)用。目前，慣性導(dǎo)航常常和其他系統(tǒng)綜合使用。無線電導(dǎo)航通過測(cè)量信號(hào)的相位和相角定位，但其易受干擾。衛(wèi)星導(dǎo)航利用衛(wèi)星發(fā)射無線電波到地面接收器的時(shí)間來推算地面接收器所

4、在的經(jīng)緯度，其中GPS是目前真正實(shí)用的一種衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)，但其技術(shù)為美國(guó)所壟斷，我國(guó)也正在致力于這方面的研究2。而自主照相機(jī)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展促使視覺導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展。視覺導(dǎo)航是通過攝像機(jī)對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行圖像采集，并對(duì)圖像進(jìn)行濾波和計(jì)算，完成自身位姿確定和路徑識(shí)別，并做出導(dǎo)航?jīng)Q策的一種新的當(dāng)行技術(shù)。由于視覺導(dǎo)航的采用被動(dòng)工作方式，設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，其應(yīng)用范圍很廣。最主要的特征是視覺導(dǎo)航的自主性和實(shí)時(shí)性。它不依靠外界任何設(shè)備，只需對(duì)儲(chǔ)存系統(tǒng)和環(huán)境中的信息進(jìn)行計(jì)算就可以得出導(dǎo)航信息。文中后續(xù)部分將會(huì)介紹視覺導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和視覺導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)，其次針對(duì)視覺導(dǎo)航同時(shí)定位和地圖繪制技

5、術(shù)（SLAM）做簡(jiǎn)單介紹。1 從仿生學(xué)角度看視覺導(dǎo)航圖1：人取書的視覺反饋導(dǎo)航系統(tǒng)方塊圖在視覺生物的行為當(dāng)中，利用視覺信息經(jīng)過大腦處理的反饋控制隨處可見。如圖1所示，人用取書就是一個(gè)簡(jiǎn)單的利用視覺信息導(dǎo)航完成既定任務(wù)的過程。下面通過解剖手從桌上拿書的動(dòng)作過程，透視該過程所映射的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)單機(jī)制和原理。首先,人眼連續(xù)觀察周圍環(huán)境確定書和人相對(duì)于在環(huán)境中的位置，并將這個(gè)信息輸入大腦（稱為位置反饋信息）；然后由大腦判斷手和書之間的距離（稱之為偏差信號(hào)），并根據(jù)其大小，發(fā)出控制手臂移動(dòng)的命令，逐漸使手和書之間的距離減小，并最終拿到書3。自主照相機(jī)，圖像處理，計(jì)算機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的綜合使用可以模仿人拿

6、書的過程,原理圖如圖2.圖2：仿生物視覺導(dǎo)航系統(tǒng)方塊圖但是生物特別是高度進(jìn)化人的視覺反饋系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)的多重反饋的生物性系統(tǒng)，且在對(duì)圖像的處理之中，人的經(jīng)驗(yàn)對(duì)視覺信息的刪選和利用有很大的幫助，這是物理系統(tǒng)難以復(fù)制甚至仿照的。研究這些只能帶給我們?cè)砩系膯l(fā)，但是在對(duì)更貼近機(jī)械的昆蟲的生物行為的研究卻具有現(xiàn)實(shí)的意義。例如，螞蟻視覺導(dǎo)航的研究表明，螞蟻在第一次經(jīng)過某環(huán)境時(shí)，會(huì)在大腦里儲(chǔ)存大量的關(guān)于該環(huán)境的圖像信息，之后就使用復(fù)合地標(biāo)和對(duì)整個(gè)地圖的記憶來導(dǎo)航。這有助于我們開發(fā)自動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)2。其次文獻(xiàn)2中所提到的蜜蜂的導(dǎo)航對(duì)飛行器的導(dǎo)航控制系統(tǒng)研究也有重要意義。2 視覺導(dǎo)航的應(yīng)用領(lǐng)域和研究現(xiàn)狀視

7、覺導(dǎo)航在交通運(yùn)輸、自動(dòng)化倉庫和生產(chǎn)線的運(yùn)輸小車等方面已經(jīng)得到較好的應(yīng)用。對(duì)移動(dòng)機(jī)器人和智能車輛的導(dǎo)航研究取得了較好的成果，最終，視覺導(dǎo)航將應(yīng)用在空間飛行器和星際探測(cè)器上。2.1移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人是一種在復(fù)雜的環(huán)境下工作的有自規(guī)劃、自組織、自適應(yīng)能力的機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能化和自主移動(dòng)性，導(dǎo)航技術(shù)是其中的關(guān)鍵。視覺導(dǎo)航的特點(diǎn)非常適合自主移動(dòng)機(jī)器人，通常，在機(jī)器人上安裝單目或雙目照相機(jī)，獲取環(huán)境中局部圖像，實(shí)現(xiàn)自我位姿確定，從而做出導(dǎo)航?jīng)Q策。目前國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者從事基于視覺導(dǎo)航的自主移動(dòng)機(jī)器人研究。移動(dòng)機(jī)器人的研究始于20 世紀(jì)60年代末，以斯坦福研究院（SRI）開發(fā)的第一臺(tái)移動(dòng)機(jī)器人S

8、hakey為標(biāo)識(shí)2,主要目標(biāo)是研究復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制問題。具有代表性的還有噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）研究的Urban Robot戰(zhàn)術(shù)機(jī)器人，如圖3所示，配備了雙目立體視覺系統(tǒng)進(jìn)行障礙物檢測(cè)，處理器由兩臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)組成，體積小，易攜帶，并具有爬樓梯的功能3。從上世紀(jì)80年達(dá)開始，我國(guó)也致力于地面智能機(jī)器人的而研究。2.2智能車輛的導(dǎo)航智能車輛是當(dāng)今世界車輛工程領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。智能車輛是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、輔助駕駛等功能于一體的綜合智能系統(tǒng)，是計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、控制理論和電子技術(shù)等多個(gè)技術(shù)學(xué)科交叉的產(chǎn)物，代表了未來車輛的發(fā)

9、展方向，具有十分廣闊的應(yīng)用前景5。計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)是智能車輛感知局部環(huán)境的重要“器官”，它以地面上涂設(shè)的條帶狀路標(biāo)作為路徑標(biāo)識(shí)符，運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺快速識(shí)別路徑，其最優(yōu)導(dǎo)向控制器能夠保證對(duì)路徑進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤6。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室從1988年開始研制THMR(Tsinghua Mobile Robot)系列智能車系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的發(fā)展，研制的新一代智能車THMR-V,如圖3所示，兼有面向高速公路和一般路面的能力。車體裝配彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路和障礙物檢測(cè)系統(tǒng)，目前能夠在校園的非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境下進(jìn)行道路跟蹤和自主避障。 圖3：Urban Robot 圖4：THMR-V

10、2.3航天器導(dǎo)航除了地面智能車輛，也可以利用視覺導(dǎo)航對(duì)航天器或星際探測(cè)器進(jìn)行導(dǎo)航，例如月球車。月球車具有高度自主性，并適于在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化月面環(huán)境中執(zhí)行探測(cè)任務(wù)，它是目前對(duì)月球進(jìn)行近距離探測(cè)的最直接有效的工具18。月球車具有自主漫游和探測(cè)功能，能夠在月球表面自動(dòng)行駛幾百米甚至是幾百公里，通過自身攜帶的科學(xué)儀器可實(shí)現(xiàn)對(duì)月球表面環(huán)境的簡(jiǎn)單直接勘測(cè)。月球巡視探測(cè)器要進(jìn)行自主巡游，需要有路徑規(guī)劃、定位、避障、運(yùn)動(dòng)控制等基本功能。月球車立體視覺系統(tǒng)是月球車認(rèn)知月面環(huán)境的工具，也是月球車在復(fù)雜環(huán)境下賴以生存的重要信息源，利用立體視覺系統(tǒng)，不僅可以對(duì)環(huán)境地形重構(gòu)、實(shí)時(shí)避障，而且還可以利用其得到的立體序列圖像

11、進(jìn)行月球車自運(yùn)動(dòng)估計(jì)。3 視覺導(dǎo)航中的關(guān)鍵技術(shù) 視覺導(dǎo)航在利用一只或多只攝像機(jī)獲得場(chǎng)景的二維的圖像信息，然后通過圖像處理，計(jì)算機(jī)視覺、模式識(shí)別等算法，確定運(yùn)行信息，從而進(jìn)行導(dǎo)航。其中關(guān)鍵技術(shù)包括攝像機(jī)標(biāo)定、立體圖像匹配、路徑識(shí)別和三維重建。3.1 攝像機(jī)標(biāo)定攝像機(jī)標(biāo)定是視覺導(dǎo)航中圖像處理的基礎(chǔ)之一。計(jì)算機(jī)立體視覺應(yīng)能從攝像機(jī)獲取的像平面圖像信息出發(fā)，計(jì)算三維環(huán)境物體的位置、形狀等幾何信息，并由此識(shí)別環(huán)境中的物體。而像平面上的點(diǎn)與該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的空間點(diǎn)的三維位置有關(guān)。這些位置的幾何關(guān)系，與攝像機(jī)的幾何模型 有關(guān)，決定該幾何模型的參數(shù)稱為攝像機(jī)參數(shù)。而攝像機(jī)參數(shù)包括內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)：內(nèi)部參數(shù)描述攝像機(jī)

12、內(nèi)部的幾何和光學(xué)特性，如圖像中心、焦距、圖形畸變以及其他系統(tǒng)誤差參數(shù)等。外部參數(shù)指的是攝像機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于某一世界坐標(biāo)系之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)和平移。由實(shí)驗(yàn)和計(jì)算確定這些參數(shù)的過程稱作攝像機(jī)標(biāo)定。攝像機(jī)參數(shù)已知是所有視覺問題的解決前提，同時(shí)這一過程的精度直接影響導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。攝像機(jī)的標(biāo)定技術(shù)按是否有參照物可以分為基于標(biāo)定靶標(biāo)定和自標(biāo)定，按照攝像機(jī)模型建立時(shí)是否考慮鏡頭畸變分為線性標(biāo)定，非線性標(biāo)定和兩部標(biāo)定。目前攝像機(jī)自標(biāo)定的方法幾乎都是基于絕對(duì)二次曲線或者它的對(duì)偶絕對(duì)二次曲面的方法17。具有代表性的攝像機(jī)標(biāo)定方法有：Tsai方法，線性方法，Ahmed方法和張正友方法。4.2 立體圖像匹配在立體視覺系統(tǒng)中

13、，圖像匹配是指在兩幅或多幅從不同角度觀察得到的圖像上尋找空間坐標(biāo)中物體上的同一點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，并將它們一一對(duì)應(yīng)起來的過程，也稱為對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配或立體圖像配準(zhǔn)。圖6表示SIFT特征點(diǎn)的提取匹配結(jié)果。完成圖像匹配需要解決兩 圖6：SIFT特征點(diǎn)匹配效果圖個(gè)問題：1）提取適當(dāng)?shù)膱D像特征作為匹配基元；2）選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法準(zhǔn)確地、可靠的匹配這些基元。對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)選取方法和匹配計(jì)算方法的問題。目前的相關(guān)研究中，特征的選取主要包括直接根據(jù)圖像的灰度信息和根據(jù)圖像中物體的結(jié)構(gòu)特征兩大類。其對(duì)應(yīng)的匹配計(jì)算方法也包括兩大類：基于圖像的區(qū)域相關(guān)匹配（Area-based Matching）和基于景物特征的圖像特征匹配（F

14、eature-based Matching）。前者直接利用圖像的灰度信息，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、定位精度高、恢復(fù)視差密度大等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是對(duì)景物的成像條件比較敏感，并且由于使用耗盡型搜索匹配技術(shù)，算法計(jì)算量大且耗時(shí)多，對(duì)噪聲敏感，對(duì)于圖像紋理較少或紋理重復(fù)度高的情況容易產(chǎn)生誤匹配；而后者較多地利用了景物的結(jié)構(gòu)信息，可利用不同尺度下的景物特征來分析景物，從而避免了前者的缺陷17。3.3 路徑識(shí)別視覺導(dǎo)航的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是精確可靠的識(shí)別出行走路徑。攝像頭采集的信息由于受到光照變化、攝像頭振動(dòng)和圖像采集傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?，不可避免的混入噪聲成分。在圖像處理之前，首先進(jìn)行圖像預(yù)處理，包括灰度變換和噪聲消除等。路

15、徑識(shí)別的關(guān)鍵在于能夠通過視覺圖像處理，找到導(dǎo)航路標(biāo)的位置和方向，這是視覺導(dǎo)航的最關(guān)鍵一步。圖6表示路徑識(shí)別流程圖。圖6：路徑識(shí)別流程圖4 移動(dòng)機(jī)器人同時(shí)定位和地圖創(chuàng)建（SLAM）概述機(jī)器人的位姿確定依靠已知的環(huán)境背景，而為了創(chuàng)建地圖，又要求機(jī)器人在環(huán)境中的位姿信息是已知的。因此，當(dāng)一個(gè)機(jī)器人在未知的環(huán)境中導(dǎo)航時(shí)，同時(shí)要求機(jī)器人進(jìn)行相對(duì)于環(huán)境的定位和地圖創(chuàng)建，由起始已知地圖確定位姿，在確定狀態(tài)下導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)同時(shí)對(duì)新環(huán)境進(jìn)行地圖創(chuàng)建，再進(jìn)行位姿確定，如此重復(fù)，達(dá)到對(duì)新環(huán)境的地圖創(chuàng)建和在未知環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。這個(gè)問題便是同時(shí)定位和地圖創(chuàng)建問題，稱作SLAM或者CML，是視覺導(dǎo)航中發(fā)展迅速且很有潛力的方向。SL

16、AM概念形成之后，研究者們主要針對(duì)SLAM的計(jì)算效率、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、環(huán)境表示、循環(huán)識(shí)別等方面進(jìn)行研究。近十年來SLAM發(fā)展迅速，多種方法已得到成功的實(shí)踐，碩果累累。其主要工作是在保證一致、精確的地圖估計(jì)及機(jī)器人位姿估計(jì)的前提下，提高算法的計(jì)算效率。其次，注入數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、非線性、特征匹配等方面也得到 了許多研究者的關(guān)注。近期對(duì)SLAM的研究領(lǐng)域集中在計(jì)算復(fù)雜度，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)境表示方面。而今后的研究將主要致力于將SLAM成功的應(yīng)用于大規(guī)模、動(dòng)態(tài)的自然環(huán)境中，如機(jī)器人在大城市中自主穿越，火星探測(cè)器在火星表面精確定位和地圖創(chuàng)建等。5 結(jié)論和展望視覺導(dǎo)航因其精度高、信號(hào)探測(cè)范圍寬、自主性實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)、智能車輛等方面得到廣泛應(yīng)用，其在飛行器應(yīng)用購方面的研究還有待進(jìn)一步的發(fā)展。但是，視覺導(dǎo)航依賴于計(jì)算設(shè)備的特點(diǎn)使其易受