（信号与信息处理专业论文）三维视觉信息的并行处理.pdf

摘要 摘要 从机器人视觉的应用臻求及其发展趋势来酱，如何在实时或准 实黠的承平土实理臻惠豹采集，处理弱耱缝化分析，应是这领域 研究的重点之。本论文对水t 机器人兰维视觉系统工作原理进行 了全瑟分摄，设计爨了基予多中瞬系统鼹褪觉信号暴榘电路板，并 编写了相应的软件，在此基础上成功地利用f p g a 实现了对接口电 路扳上逐辑功畿翳集成，穗密了静基予d s p 与p c 视稳娥鹩主扶 模式的并行处理系统方案。 7 全文分为以下三大部分，在第一部分，首先综述了机器入筏鬣 传感技术发展的现状，在概括总结水下机器人视觉研究发展状况的 基础上提出本文的研究方向，并对企文的工作进行了简单的介绍。 在第二部分里黠具体蚋水下枧器人三维视觉系统结构，扫攒测 量方式、电路检测，计算方法等方面进行了分析，并设计出了视觉 信号慕集宅鼹援，缡写了耀应憋软件，拐步实现了撬觉信惑采集与 处理的并行化。在新的接口电路设计中采用现场可编程逻辑阵列 f f p g a ) 将覆有的逶闳逻辑器 睾集成鬟一块f p g a 中，将系统韵工锋 频率提升，从而提高了计数精度，减小了原电路板的体积、功耗，提 高了系统的w 靠性和设计的灵活性，有嗣于辩系统遂行扩充帮舞缀。 同时也缝合自己的安践经验，对f p g a 的结构原理和应用歼发作了 扼要的介绍。 最后在蔚蘑工作的基础上提出了一种基予d s p 与p c 机构成的 主从模式的并行处理系统方案，进一步提高三维视僦系统信息处理 豹精度鞫速爱。魏实现嵌入式三维视觉信患实对处联系统奠定了基 、p 础。 ， a b s t r a c t a b s t r a c t t h en e e df o r r e a l - t i m eo r q u a s i r e a l t i m e o b t a i n i n g ，p r o c e s s i n g a n d i n t e l l i g e n t i z e da n a l y s i n g 3 dv i s i o ni n f o r m a t i o ni sa n o b j e c t o fi n t e r e s tf o r r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fr o b o tv i s i o n t h i sp a p e rd i s c u s st h ep r i n c i p l eo fu n d e r w a t e r3 dv i s i o ns y s t e mi nd e t a i l a3 - ds i g n a la c q u i s i t i o nc a r db a s e do nm u l t i p l e i n t e r r u p ta n di t ss o f t w a r ea r ed e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，l o g i cf u n c t i o n so nt h ec a r da r e i n t e g r a t e di n t oo n ef p g ac h i ps u c c e s s f u l l y ap r o j e c to fp a r a l l e ls i g n a lp r o c e s s i n g s y s t e mw i t hm a s t e r - s l a v es t r u c t u r ei sg i v e ni nt h i sp a p e ra l s o t h ep a p e ri sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s i nt h ef i r s ts e c t i o n ，t h ec o n t e m p o r a r y d e v e l o p m e n to f3 ds e n s i n gt e c h n i q u e si sr e v i e w e dc o m p r e h e n s i v e l ya n d t h er e s e a r c h d i r e c t i o no ft h et h e s i si sp r o p o s e db a s e do ni t ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h em a i nw o r k o f t h ep a p e ri sg i v e ni nt h ee n do f t h i ss e c t i o n i nt h es e c o n d p a r t ，t h es t u d i e so ns y s t e ms t r u c t u r eo f t h e3 - dv i s i o ns y s t e mo f t h eu n d e rw a t e rr o b o ta n dt h es c a n n i n gm e a s u r e m e n t , c o n t r o lc k c u i tc a l c u l a t i n g m e t h o da n ds oo na r eg i v e n av i s i o ns i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i ti ss c h e m e da n dt h e s o f t w a r ei sm a d et o i m p l e m e n tp a r a l l e ls a m p l i n g a n dp r o c e s s i n go ft h ev i s i o n i n f o r m a t i o n i nt h en e wi n t e r f a c ec i r c u i t ，f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) i s a p p l i e d a n dt h eo r i g i n a lg e n e r a ll o g i cd e v i c e sa r ei n t e g r a t e di n t oo n ef p g a c h i p t h e s y s t e mf r e q u e n c ya n dt h ec o m p u t a t i o n a la c c u r a c yo f t h es y s t e ma r ei m p r o v e d t h e d i m e n s i o na n dt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h eo r i g i n a lc i r c u i ta r ed i m i n i s h e d i ti s e a s yt oe x p a n d e da n du p d a t e dd u et ot h eh i g h e rr e l i a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo f f p g a t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r ep r i n c i p l eo ff p g at e c h n o l o g y ， i n d i c a t e si t sp o w e r f u lf u n c t i o na n da d v a n t a g eo f e a s y d e v e l o p i n g t h eg e n e r a ld e s i g n f l o wo f f p g ad e v i c e si sa l s oi n t r o d u c e di nd e t a i l ， i nt h ee n d ，am a s t e r s l a v ep a r a l l e lp r o c e s s i n gs y s t e mp r o j e c tb a s e do nd s p a n d p ci s p r e s e n t e d w i t ht h i sp r o j e c t ，b o t h a c c u r a c ya n ds p e e do ft h e3 - dv i s i o n i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gw i l lb ei m p r o v e do b s e r v a b l y i tp r o v i d e saw a yt o t h e i m p l e m e n t i n g o ft h ee m b e d d e d3 - dv i s i o ni n f o r m a t i o nr e a l t i m ep r o c e s s i n gs y s t e m 2 第一章引言 第一章引言 机器人的发展日新月异，正从开始的专用，简单操作走向越来 越多的应用领域，从而逐渐发展成一个重要的新兴工业。本章综述 了机器人视觉传感技术发展的现状，在概括总结水下机器人视觉研 究发展状况的基础上提出本文的研究方向，并对全文的工作进行了简 单的介绍 第一节机器人视觉传感综述 随着自动化水平的提高，迫切地需要能够感知其所在环境，自 动完成复杂任务的智能机器人。智能机器人般由执行装置，三维 视觉系统，计算机和辅助设备组成。其中，视觉系统是感知环境及 非接触测量的重要手段，具有非接触和快速性的优点，在诸如三维 自动生产检测和物体识别等需要处理物体形状和位置的领域内具有 不可替代的作用。人类通过视觉感知外界信息，俗话说“百闻不如 一见”，就是说视觉感知环境信息的效率很高。人的视觉是以光作为 刺激的感觉，可以认为眼睛是一个光学系统，外界的信息作为影象 投射到视网模上，经处理后传到大脑j + 在各种感官获得的信息中， 视觉信息约占用8 0 。对智能机器人来说，视觉技术也是一个特别 重要的组成部分。让计算机或机器人具有视觉，是人类多年以来的 梦想。虽然，目前我们还不能让机器人也具有像生物那样高效，灵 活的视觉，但这种希望正在逐步实现。 目前，视觉研究有两种方法：一种是企图建立模拟生物眼系统， 已经建立了生物结构的硅视网膜。但它离实用还有相当大的差距 【2 8 】。另一种方法是用摄象机输入图象，然后用计算机软件进行图 象分析和识别，既所谓的计算机视觉或机器视觉。计算机视觉是现 在研究的重点。并且得到了初步的应用。 传统的计算机视觉把三维物体投影成二维图象，然后从中恢复物 体的几何信息，其中的基本困难有两个：一是图象灰度虽然反映了 三维物体的几何信息，但它与物体材料，光源等其他许多性质有关， 因此，由图象图象恢复物体几何形状是一个反问题( i n v e r s ed r o b l e m ) 2 3 ，解是不唯一的，需要其他许多附加知识和约束条件；二是如果 用多幅图象( 如立体视觉法) 重建物体三维信息，或由模型知识及 假设检验方法来获取物体几何信息不可避免的会碰到t 。对应”问题， 即必须首先确定多幅图象特征点之间或图象特征点和模型特征点之 间的对应，而对应问题一般要逐点去做，计算复杂性高，在约束条 件不够的情况下，答案也不唯一。 机器人视觉研究自8 0 年代中期以来出现了两种新进展， 2 8 1 ： 一是研究非线性求解以及它的正规化方法；二是面向应用的新方法 和新思想，如三维深度映射技术多传感器技术，主动视觉和定性视 觉等。其中，三维深度映射技术作为一种面向应用的新技术最有发 展前途【3 0 。 自80 年代末以来，美国日本以及西欧等国都致力于光学三维 深度映射视觉传感器的研究与开发，美国和日本两个国家代表了研 究与应用的两个方向美国在发展机器人导航，避障用的视觉传感 器方面占世界领先地位k a n a d c 等于1991 年发表的快速v l s i 测距仪，采用专用的32x28 面阵图象传感器，用模拟信号处理方 式可在1s 内获得i 0 0 i 0 0 0 帧深度图象。 日本在用于室内工业环境的三维测量视觉传感器这一领域始终 处于世界领先地位。松下公司1993 年发表的视觉识别装置 p a n a s i g h t 8 6 0 系列以0 1 微米偏差自动调整v t r 磁道上2 到1 0 个 磁头的相对高度；另一型号p a n a s i g h t 8 8 0 视觉识别系统在2 0 m m x 2 0 m m 视场内，检测误差在x y 方向为正负4 0 微米，在z 方向为正负2 0 0 微米。o m r o n 公司同年发表的视觉识别装置f 3 0 0 具有5 1 2 x4 8 4 象素 的分辨率，能在3 3 m s 内实时检查8 个区域，用于产品外观检查， 丰田汽车公司开发的三维视觉传感器用于检查小轿车壳体面板尺 寸，测量误差为正负0 0 6 姗i 用于捡查印刷电路板质量，可测深度 为2 2 r a m ，深度误差为正负0 0 1 2 m m 。日本学者认为目前用结构光投 射方法所能达到的相对误差为视场的0 5 。 第一章引言 我国的三维视觉测量技术研究工作大都是在大学和研究所内进 行的。重庆大学研究的激光双三角点扫描三维视觉传感系统，用于 人体模型曲面轮廓和模具外型测量。天津大学研究了用于车身外观 检查的多线结构光三维视觉传感器及其定标问题等。 三维深度映射技术以直接获得深度信息为目标，制造出新型的 传感器来得到能反映物体三维信息的深度图象，与一般的光学图象 不同，深度图象中的每一象素的值不再表示物体表面各点反射光的 强度，而是它们离传感器的距离，因此可以直接得到被测物的形状 与位置信息其基本原理如图1 所示：选择一定的空间坐标系在图 象上定义直角坐标系，其中( u ，v ) 为以象素为单位的图象坐标系的坐 标，( x y ) 表示以物理单位表示的图象坐标系的坐标，使空间点的坐标 ( x ，y z ) 与它的图象点位置1 1 ，v 与x , y 的关系 u 2 u o + c l x v 2 = v 0 十c 2 y u o， o i r ( u o ，v a ) r r 图1 即x , y 的方向仍然分别平行于深度图的行方向与列方向，u o ，v 。为x , y 坐标系中心在图象上的位置。c l 与c ：为比例系数，而z 方向与深度图垂 直，z 的大小表示了物体与传感器的距离。深度图中位于( u ，v ) 的象素 对应于空间物体表面某点，m ( u ，v ) 并由式( 1 ) 得到的( x ，y ) 表示该点的x , y 坐标，而f ( u ，v ) = z ，即深度图象的值为该点的z 坐标。因此f ( u ，v ) 及式( 1 ) 表示了空间该点的三维坐标。 这种采用三维深度映射技术的视觉传感器按工作原理可分为两 种，一种根据雷达工作原理，一种根据三角测量原理。 1 基于雷达原理的视觉传感器 即发射超声波或激光，通过测量回波进行目标距离的计算。最 开始都是选用超声波作为辐射源。超声波波长值大( 较激光) ，传播 速度只有每秒几百米，小于光速约5 个数量级，因而可对回波进行 较准确的测量。但是由于速度慢，不容易做到实时处理。而且分辨 率低，由雷达原理可知，测量的空间分辨率与发射波的波长成反比，即 波长越长空间分辨率越差，由于机器人视觉需要通过传感器测量出三 维物体的形状，并进行识别( 如位于两米外的一个杯子) ，要求有很高的 分辨率才能分辨出物体表面上各点的距离信息，因此一般的声波甚至 电磁波都不能达到如此高的空间分辨率。另外要满足目标漫反射的 条件，要求表面的粗糙度高。因此选择超声波作辐射源不如激光有 优势【l 】。因此，在机器人视觉中一般都用方向性很强，波长很短的 激光。近几年激光二极管和光电探测技术的迅速发展导致调制和探 测频率可高达1 g h z ，从而使得激光雷达测距走向实用。但是采用激 光作为辐射源同样存在着一些问题有待解决： ( r ) 关于距离分辨率。由于在测量较小的物体时要求分辨出物体表 面上点的距离差别，若分辨率为1 c m ，光波速度为3 x 1 0 1 0 c m s ，则相当 于要测量出光波来回传输时间上越6 6 p s ( p i c o s e c o n d = l o 。1 2 s ) 差别来， 或者说，测量时间差的分辨率要达到6 6 p s ，因此对测量电子设备的要 求很高。 ( 2 ) 测量动态范围。计算机视觉中若应用于测量室内场景，一般要 求深度测量范围为数十厘米至数米，室外场景的范围为数米到数十 米，在如此大的范围内同时达到也是一个困难的问题。由于当距离 较大时要测量到目标物体的反射光需要使用较强的激光源，以增加 信噪比，但同时有较近的目标物体，其反射光较强，这就要求接收 设备中的信号放大器有较大的动态范围，目前使用的传感器都给出 一定的动态范围，超过这一范围的，测量精度就会较差或根本不能 第一章引言 使用。 ( 4 ) 用雷达原理测量深度时，需对测量场景进行上下左右扫描， 离散化的扫描点根据空间分辨率的可能性，一般为1 2 8 x 1 2 8 个点， 扫描次若需n 秒，则在l q 秒内要处理1 2 8 x 1 2 8 个反射波并计算它 们与发射波的时间差，需要专用的硬件，般能做到的扫描周期为 1 秒，若要做得更短( 如每秒数帧) ，则对硬件要求很高。因此，距 离传感器一般达不到摄象机每秒24 帧的速度，一般不宜测量动态 场景。 比较典型的基于雷达原理的视觉传感器根据时间差测量的原 理，可分为两类： ( 1 ) 直接测量时间差的脉冲波视觉传感器。有些文献上称为基于 飞行时间的传感器，基本原理如图2 所示 l e w i s1 9 7 7 图2 脉冲视觉传感原理图 如图所示。激光发出一串脉种激光束，经光学透镜系统与光束 扫描系统对前方空间扫描，反射光被接收放大并经光电转换后进入 时间差测量系统，该系统同时接收到脉冲激光源发来的发射光，并 测量发射脉冲与接收脉冲的时间差，如前所述。激光脉冲必须是微 微秒级的短时间尖脉冲，脉冲前沿宽度直接影响距离分辨率，因为 脉冲间隔与脉冲宽度都很小，在每一个扫描点都可有足够的时间收 到相当多的脉冲，计算这些脉冲时间差的平均值可以使测量精度得 到提高如上所述，厘米级的距离分辨率就需要微微秒级的时间间 隔，故这种距离传感器一般只用于长距离，大物体的测量 ( 2 ) 测量幅度调制波相位差的视觉传感器图3 为这种传感器的 原理图 图3 根据相位差原理的传感器 激光器发出的激光的幅度被调制，调制频率为9 z ，调制光经 平面镜分成两路，一路经光学扫描装置向三维空间扫描，另一路进 入相位差检测装置与经物体反射后接收的光信号比较相位，如调制 频率为f m 州相位差为由，则物体到传感器的距离为： c d = 中( 2 ) 2 f 岫l 由于相位检测只能测量出0 2 丌相位差，因此上述传感器的测 c 量范围为d = 当距离超过d 的整数倍的时候，测量出的相位 f 。d 第一章引言 不变，因此上式应写为： 2 t “f 。“ 也就是说这种传感器得到的距离有多意性( 相差d 的整数倍) ， 必须先已知距离的大致范围如果f m o d = 9 m h z ，则d 3 3 m ，k d 越小， 测量范围越大，但在相同调幅强度的情况下，相位差检测的越大， 因此在某些场合情况下需要设计多个不同的f 。甜的数个传感器同时 工作以测量不同的距离范围我国自行研制的第一辆适合野外环境 的a l v 中所采用的激光测距成像雷达就是基于这种原理进行工作的 2 5 。 2 基于三角测量原理的视觉系统。 基于三角测量原理的视觉系统在原理上与立体视觉本质上是一样 的，一般称这种视觉传感器为主动传感器而立体视觉为被动传感器 2 3 。按照工作原理主要可分为两类 1 ： ( 1 ) 结构光法： 所谓结构光法是通过特定的光学系统，将某种形式的光图案， 如光条，网格，条纹等投向景物，在景物上形成图案并由而后采用 三角测量原理得到被测物体表面的三维坐标值利用此方法得到深 度图象。其优点是简化物体检测问题，减少计算的复杂性，改善三 维测距准确度，便于作图象分析等而且该方法具有视觉传感器体 积小，重量轻，价格低，性能可靠，便于安装使用和维护等优点， 其缺点是测量速度慢和存在遮挡问题 结构光法根据投射光图案韵种类 可分为单点法，单线法和图案法即 分别是点，一维的线和二维图案随 之扫描的时间可缩短，但相应确定 对应关系的难度加大 平面镜 以中国科学院自动化所模式识 图4 扫描机构与光源 别重点实验室研制的机器人视觉系统为例。如图4 所示。它使用的 一整二童! 【童 激光器为氦氖激光器，功率为5 m w ，氨氖激光器发出的点激光束经 丰圭面镜交为平面激光，经由步迸马达控制的平面镜反射形成扫描光 瑟。它的工作原理如图5 所示： a y 图5 基于结构光法的视觉传感器原理 在三角形a b c 中，若a b ( 称为基线长度) ，8 已知则c 点的 憾置唯一确定，在立体视觉巾，a 与b 处祷聪台摄象枧，气b 分别为 瑟台摄象枫魅巍心，艿霹出e 点在嚣台摄象枕孛憋躅象点链嬖及 摄象视参数决定，a b 长度为系统内部参数需要赉定标来决定。立体 褫觉的基本困难是盛须确定e 点翡两个图像点的对应，除了物体表 面的特殊点( 铡翔边缘点，角点等) ，连续物体表面上的一般点在两 个图象上没有明显的特征，阂而使确定“对应”很困难。阔5 所示 的主动型装匿中，b 点还是摄象机，但a 点是个激光源，点激光 束经可转动的平面镜反射后，可在定范围内扫描，狂扫描过程中 的某一位置出，激光打在物体上形成亮条，亮条为一平厦曲线， 即物体表面与激光平面的交线，由于该亮条比在自然光照射下的物 体其他部位亮褥多，因此在b 点摄象机的图象上也有一个亮条，对 予亮条上任点e ，在三螽形a 凝中，s ，熊也是已知的，数c 点 第一章g | 言 三维位鬻可以唯一确定，由此亮袈上每点的三维位置都可确定。 照然，基于主动三角原理的距离传感器不需要确立对应点，而只需 残计算右摄象褫每一亮条上赝有点上的三维位鼗时，痰a 点约光学 扫描装鼍给出当时的由值即可。 舞篱萃起觅，缓设a ，b 处的激光源与摄象辊邑调整荮，使摄蒙 机坐标系x y z 轴与光学扫描装置的坐标系轴x y z 分别互相平行，x 与x ，轴互鞫薰合，巍心与季曩描中心分割瓷嚣个嫩标系麴漂点，瑟令 嫩标系只相差x 轴方向上的一个平移b ，激光平面在扫描过程中始 终与x yz 1 平面垂壹。 在絮一扫描位置，设激光平面与x z 平面的交线与x 轴的夹角为 啦，则该平面在( x ，y ，z ，) 坐标系下的方程为z - = t a n 由x ，用摄象 规坐标系表示为： z = t a r lt a n 巾( x + b )( 4 ) 对予物髂表藿位子亮条上鳇饪点c 的坐标蔻e = ( x ，y ，z ，) 1 ，若 它的图象点的位置为u ，v ，则直线b c 的方程为： 或写成： x y z 一一一一 ( u u d ) d x ( v v d ) d y 譬 其中，a 。= f d x a , = f d y ；钆，a v ，t l o 。v o 为系统内部参数。直线b c 与 扫描平面的交点郯势e 点，馥由式4 与5 联立霹褥： ( u u o ) b r a n a 。一( u 一) t a n $ ( v 一) b t a n $ y 。一 一。一 a ，一( v v o ) t a n 中 l l q ， ；i a u 一( t l u o ) t a n 中 以上所描述的视觉系统还有一些变化或改进的类型。如用平行 光栅或编码光栅代替扫描。用这种方法相当于将多个平面光同时打 到物体上面，避免了顺序扫描时间长以及需要机械扫描装置的缺点， 但是代价是对摄象机图象上的每一亮点，必须知道它所对应的空间 点位于第几条光面上，从而增加了三维信息处理的复杂性。 ( 2 ) 激光扫描法： 激光扫描法即激光在空间以一定的规律扫描，探测器依次接收 信号，进行逐点测量。以下为几种典型的激光扫描系统： ( a ) n i m r o d 系统。如图6 所示， 图6 n i m r o d 系统 反射镜m 以角速度转动，探测器d 以2 匀速转动，则处于o x 轴上任意位置的目标点均可被探测到，当= 2 at 被确定后，纵 向距离可由r = ( b 2 ) t gd 算出，该系统装置体积为7 x 7 x 8 c m ，典型测 距精度3 0 m m 时为0 0 1 ，1 m 时为0 0 1 ，系统测量范围较小，且只 能沿o x 轴。 ( b ) p i p t o n e 系统。如图7 所示 2 9 ，激光经高速旋转反光镜p l 反射，对空间进行扫 第一章引言 描，被以步长为o 5 0 的低速旋转的聚焦镜 p 2 接收，目标点到p 2 距离可由 r = l s i no s i n ( 0 + a ) t 求出。0 角从4 5 0 扫到 1 3 5 0 共9 0 0 范围。然 后，垂直方向上倾斜 角巾也以o 5 0 步长变 化，经逐点测量，即 可得到目标表面的纵 向轮廓，系统测距1 2 米时，分辨率约3 r a m ， 厂 激光器u 图7p i p t o n o 系统 测量速率为2 5 微妙点。这种方法系统结构比较灵活，速度较快， 分辨率也较高。 图8m r o u i x 同步扫描系统 ( c ) m r i o u x 同步扫描系统。其 原理图如图8 所示，激光经过两个 扫描镜实现对对空间的扫描。接收 器为c c d 线阵，其接收面中心单元 与空间参考面扫描点对应，即扫描 过程中参考面上的扫描点的象点始 终位于c c d 中心单元。这种对应关 系，由一双面镜实现绝对同步而保 证。因此，可根据接收象点在c c d 上的中心偏离位置算出实际测量点 偏离参考面的位置，实现三维坐标 测量。这种系统的特点是结构紧凑， 尺寸只有9 x 1 2 x 2 8 c m ，测量速度快，每点在1 微妙以下，但结构不 够灵活，测量距离不大，只有1 米多的范围。 里二童! ! 童 综上所述，机器人三维视觉传感的方法很多，具体系统多种多 样，由于都有各自的优缺点所以究竟采用何种系统还应由机器人所 承担的任务决定。 第二节水下机器人研究状况国内外研究背景 尽管在陆地及其他环境中，人们已获得- 7 _ - = 维视觉传感方面很 大的成功，然而对于水下环境而言，由于它具有许多特殊之处仍需 进行进一步分析。 由于水与空气的密度比大于8 0 0 ，光在水中传播时发生严重的 衰减。在空气中人眼能看到几公里不奇怪，而水中最理想的情况下 也只能看到几十米。因此，一个其他环境中性能良好的系统在水下 往往无法工作。光在水中传播的衰减可由指数方程来描述 5 8 ，设 光为准直光，波长为九的单色光在l - - o 时照度为e 、( 0 ) ，当光线直 线传播距离l 后，其光度衰减为e 、( l ) ，则： e x ( l ) = e ( 0 ) e o ( 1 ) 。 其中q ( 九) 的某一波长出的衰减系数。 衰减是由两个互不相干的物理过程引起的，一个是吸收，一个是 散射。任何光字消失的过程是吸收，在水中，许多光子是在其能量 转变成热能时消失的。而另一方面，传播过程中光子并没有消失， 而是行进的方向发生了变化，即散射。用公式表示： a ( 入) = a ( ) + s ( ) 其中：a ( 九) 为衰减系数a ( 九) 为某波长的吸收系数，s ( 凡) 为某波 长的散射系数。1 ( ) 称为一个衰减长度a l ，单位为米，一个a l 表示光束传播时，光能衰减到原来的1 e 时所传播的距离( l = i a ( ) 时，e 、( l ) = e 。( l ) e ) 。衰减长度长说明水质好，光传播衰减慢，传 播距离远。反之衰减长度短，说明水质不好，光衰减快，传播距离 近。 墨= 皇! ! 童 些遥控的和载人的潜水器都是手动控制的，从目前情况看，第代 水下机器人的发展和完善已基本结束 5 9 。 现在，很多国家已开始研究制造第二代水下机器人，其特点是 a 控制系统用梯阶结构； b 具有计算控制装置： c 具有记忆能力： d 能不断地校正外部环境和内部状态的模型； e 可以学会各种学习技能： f 操作人员能够对水下机器人的工作过程进行高级的战略干预和战 术干预。 第二代水下机器人具有自适应能力，可以独立的完成全部纯机 械的操作，特别是令人厌倦的操作，但水下机器人仍然是在操作人 员的指挥下工作的，即需要进行人工干预，不能实现完全的智能化， 只是操作人员的控制任务较第一代大大减少了，仅仅指示目标和下 达简单的任务。 目前第二代的研究仅仅开始，面临着许多技术问题以及重要而 又复杂的方法性问题，只有解决这一系列问题，水下机器人的研究 才能进入未来的第三代的研究，即具有完全人工智能的水下机器人， 使操作人员的控制减少到最低限度，这种水下机器人可以适应环境， 变换动作，积累与外界交互的经验，并借助这种经验去完成给定的 作业。 要完善和发展第二代水下机器人，视觉问题是一个极为重要的 方面，但是，由于前面所述的种种困难，从最近几年来的有关文献 上看，水下机器人视觉的研究还很不成熟，许多问题有待解决。 我系长期从事水下视觉系统的研究，早在1 9 6 8 年就从水下二维 电视的角度提出了激光同步扫描原理，并于1 9 7 5 年到1 9 8 0 年研制了 i 型样机，i i 型样机，因而对现有的激光扫描三角法系统有着一定的 实验和研制经验。1 9 8 7 年研制成功了宽视角水下激光扫描电视，经 鉴定达到了国际先进水平。目前又在原有二维激光扫描电视的基础 上对三维视觉信息获取的原理和方法进行了深入的研究，并研制了相 第一章引言 应的系统样机。创造性的提出了”空间差频扫描”原理和技术，同时对 克服水下散射光影响的各种技术进行了综合分析。所提出的系统设 计方案能够有效的克服后向散射，满足了水下环境中的观测要求。从 机器人视觉的应用要求极其发展趋势来看，如何在实时或准实时的 水平上实现信息的采集，处理和智能化分析，应是这一领域研究的 重点之一。在目前所完成的工作中，由于受客观条件的限制，对三 维信号的采集，处理速度还达不到实时，所以在测量系统的设计中 采用了光标选择测量方案。从理论上分析，三维测量信号的同步采 集和处理实际上存在着高度并行性，通过采用并行处理系统实现三 维测量信号的同步采集和处理，可以进一步缩短测量周期，大大提 高现有系统的工作性能，做到三维信号的实时传感和处理，显然这 对于水下机器人视觉的应用具有重要价值。因此，本人把在现有的 基础上，研究和开发三维测量并行处理系统作为工作的重点。 第三节主要研究工作 本文的研究工作可归纳为以下几点： 1 综述了机器人视觉传感的关键技术，分析了水下机器人视觉研究 发展状况及存在的问题。 2 对机器人三维视觉系统工作原理进行了分析，提出了基于多 中断源的三维视觉信息获取方案，使计算机的数据处理工作和接 口电路的信号接收工作同时进行，同时在软件部分将整个计算 过程按与计数值的关系分为几组分别计算，计算顺序不固定而 按照产生中断的顺序进行计算，使计算机始终保持工作状态， 最大限度的将处理过程并行化，从而改变了原先的串行读入数 据再按一定顺序进行计算的工作方式，提高了系统信息处理速 度。采用中小规模集成电路设计出了视觉信号采集电路板，编写了 相应的软件，对所提出的方案进行了验证，初步实现了视觉信息采 集与处理的并行化。 3 对上述系统进行了进一步的改进。在原设计中，采用i n t e l 公司 第一章引言 生产的8 2 5 4 2 可编程计数器作为时间周期计数器，由于8 2 5 4 2 的 最高计数时钟频率为1 0 m h z ，在激光扫描接收子系统的扫描频率一 定时，计数器的最高计数时钟频率限制了分辨率的进一步提高，从 而影响了测量精度；而且从8 2 5 4 中读取1 6 位计数值时受到8 2 5 4 只 有8 条数据线的限制，要对计数器进行两次读取操作，分别读取计 数值的高8 位和低8 位字节，降低了数据获取的速度。此外，由于 电路板设计采用的是中小规模通用集成电路，元器件较多，板上连 线复杂，系统电路的可靠性不高，灵活性羞，也难以对该系统进行 升级和改进。而采用f p g a 设计的新电路板很好的解决了上述问题， 提升了系统的工作频率，从而提高了计数精度，减小了原电路扳的体 积、功耗，提高了系统的可靠性和设计的灵活性，有利于对系统进 行扩充和升级。 4 提出了一种基于d s p 与p c 机构成的主从模式的并行处理系统方 案，为解决水下机器人三维视觉实时处理问题提供了一条解决途径。 原系统中目标点三维信息的获取，是通过激光扫描接收子系统和信 号采集子系统来完成的，而目标点三维坐标的计算，则是由微型计 算机来完成的，信号采集子系统采用f p g a 和多中断源的方法获取三 维视觉信息，在信号采集子系统和微型计算机之间，三维视觉信息 数据是通过i s a 总线来传递的，然后再由微型计算机的c p u 来完成 三维坐标的计算工作。由于受到i s a 总线数据传输率和微型计算机 c p u 处理速度的限制，该系统达不到实时处理的要求。为了进一步 提高三维视觉系统信息处理的精度和速度，在原有的信号采集电路 上增加一个专用数字信号处理器( d s p ) 负责对目标x ，y z 坐标进行计 算处理，、使得在一块电路板上同时具备了信号采集和处理功能，利 用数字信号处理器( d p s ) 具有高速处理数据的能力，可以缩短处理 运算三维视觉信息所需的时间，实现实时处理视场中目标的三维信 息。 5 对整个研究工作进行总结，讨论了系统的发展。 第二章三维视觉信号采集系统 第二章三维视觉信号采集系统 本章对对机器人三维视觉系统工作原理进行了分析，设计了信 号采集系统接口电路，并通过采用f p g a 实现系统的功能的方法对 电路进行了改进。 第一节系统的电路结构与工作原理 1 光学系统结构和三维信息获取韵基本方法 本套系统采用主动式三角法结构光法作为三维信息获取方 法。这种方法是利用光源发射光束到物体表面，由传感器接收包含 角度信息的反射光束，通过发射光束与反射光束间的几何关系计算 出物体的距离。如图1 所示： s of 图：1 d d = s o ，( c 馆a 十c t g6) 采用该法的视觉系统设备简单，且因其计算公式简单故计算时 间短，容易实现三维信息获取的实时性，同时也降低了对计算机内 存量和处理速度的要求。另外以结构光法为基础的三维视觉系统可 以达到很高的精度。机器人三维视觉信息获取系统是由水下激光电 视和选择接受反射光的狭缝扫描装置组成的，包括： ( 一) 发射器 ( 1 ) 氦一氖激光发生器 ( 2 ) 行扫描镜，1 8 面体，转速3 6 0 0 0 转分 ( 3 ) 帧扫描镜，6 面体，转速1 0 0 一2 7 0 转分 苤三雯三丝塑堂堕曼墨生墨丝 ( 二) 接收器 ( 1 ) 宽视角接收光学系统接收整个扫描视场内物体反射光，经光电 倍增管把反射光转换为亮度信号，送入显示器，从而得到视场的二 维图像。 ( 2 ) 狭缝接收装置，缝扫描镜为6 面体，转速3 0 0 0 转分 三维视觉信息处理系统框图如图2 所示： r i ：反射镜 r 2 ：行扫描镜 r 3 ：帧扫描镜 r 4 ：二维图象接收装置 r 5 ：缝扫描镜 r 6 ：狭缝 图2 激光器发出来的光束经反射镜r 1 ，行扫描反射镜r 2 和帧扫 描镜r 3 实现对物体从右至左，自下而上的扫描，光线经目标p 反 射至二维图象接收装置r 4 和缝扫描镜r 5 ，二维图象接收装置将接 收到的二维图象信号转变为视频信号与计算机输出的光标信号叠加 后送显示器显示。当行帧扫描镜的每个镜面转到初始位置时将产生 一个同步信号输出给显示器用于同步显示二维图象。与此同时，缝 弗二草= 爹匪砚冤佰亏米果系耽 扫描镜将入射光线经狭缝接收装置r 6 ，转换成缝接收信号输出给计 算机接口电路，接口电路根据接收到的行同步信号、帧同步信号， 缝同步信号，缝接收信号进行计数，并由计算机读取计数值，计算 出测量点的口、肛，三个方位角，再根据预定的基线距离就可以用式 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 计算出目标点的三维坐标值x ，y ，z 。 sl 图3 如图3 所示： 取缝扫描镜转轴方向为y 轴，缝、帧扫描镜转轴中心的连线 为x 轴，x o z 平面为激光倾角为零度时的水平扫描面。由p - s f 和p p7 l 得： z = s o i ( c t g 口+ c t g 卢) ( 1 ) x = - z + c t g a ( 2 ) y = z + c t g ，( 3 ) ， 其中s o 为缝、帧两扫描机械轴距，x 、y 、z 是p 点坐标，a 、 、，为p 点的三个方位角。由式( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 可知，要确定p 点的空间位置关键在于求出口、声、，三个方位角，这可以利用缝、 帧、行扫描镜的起始角以及它们从起始角扫到p 点的扫描角来求。 如图4 所示： 第二章三维视觉信号采集系统 1 p 。艾 图4 f 0x 由于缝、帧扫描镜均为六个面，故扫描境每转过一面，就在空间扫 描1 2 0 。图中口o 为缝扫描镜每面扫描的起始角，声o 为帧扫描 镜每面扫描的起始角。s a 、f a 分别为缝、帧扫描镜从起始角扫到p 点转过的角度，即扫描角，扫描角可阻根据扫描镜从起始角转到p 点所需的时间和扫描镜每转一面的时间之比求得，在起始角已知的 情况下可求出方位角群、卢： d = 1 8 0 。一、口0 一s a = 1 8 0 。一o f a 同理可以得出方位角，如图5 所示： 一r l a 浴 一 图5 z ( 4 ) ( 5 ) 第二章三维视觉信号采集系统 设y0 为行扫描镜每面扫描的起始角，因为行扫描镜为十八面体，故 每旋转一面在空间扫描4 0 。，图中l a 为从起始角扫到p 点转过的 角度，由图5 得： ，= l a + r0 9 0 。( 6 ) 在图5 中，由于忽略了扫描镜的尺寸，假设f 点为光线发射点，s 点为光线接收点，但是实际上缝、帧扫描扫描镜均有一定的尺寸， 帧扫描镜的发射光线和缝扫描镜的接收光线都不通过机械轴，如图 6 所示：因此不能简单的由式( 4 ) 、( 5 ) 得出方位角的值。 如图6 所示：假设a 、b 两点分别为光线发射点和接收点，则a 、b p 图6 连线为实际的光轴距，但是由于a b 不是固定的直线而是随着测量 点和扫描镜的变化而变化，所以不适合用；a b 作为实测p 点距离的 参线。为此将p a 、p b 延长，交机械轴距s o 于a7 、b7 点，将a 7 、b 作为光线发射点和接收点，即认为a b7 为等效光轴距， 等效光轴距为：d - s 刚d s + d f 其中d s 为缝偏轴距，d f 为帧偏轴 距。公式一变为： z = ( s o + d s + d f ) ( c t l ；q + c 培b ) ( 7 ) 蔓三塞三篓逖鲎鱼量墨塞墨篓 c t 毫( i8 04 20 一no ) 嚣一r + s k ( 3 + 0 忿) + e | 茁( 2e + d 0 )( 9 ) d s = c h + s c( 1 0 ) 同理可以攉导出桢偏轴蹶d f 的公式： d f = r + c o s ( 啦一3 0 。+ 爵o ，2 ) 一r s 1 n ( 3 0 9 + b0 ，2 ) 一s i ne 垂一3 0 + eo ，2 ) 】c t g ( 9 0 一审一墨o ，2 ) r + ( 3 0 + 叠o ，2 ) e t 毫( 2 毒十 霉0 )( 1 1 ) 2 三维巍觉络惠楚疆系统接瑟邀路设计 计算机砖扫描接收系统的接阴：测量电路主要功能肖： a 扫描接收系统发出的帧、缝、行同步信号和缝接收信号，并 对其进行整形。 b 根据同步信号和缝接收信号对扫描镜转动的周期时间和缝扫 播镜蠢裙始搜置转劐测鳖杰反射光被狻缝接收到豹瞳阁进蟹诗数， 并能够预先设定行、帧扫描时间用于产生光标信号。 e 当狭缝收到j 鬟置煮爱射静毙信号后产童一中赣信号通絮计舞 机读取计数器数据。计算机在读取计数值时采用查询方式，因此接 口电路还负豢向计算祝提供稻应的控制信号。 第二章三维视觉信号采集系统 接口电路原理框图如图( 8 ) ： 圈8 ：接口电路原理框图 在接口电路与扫描测量系统连接的一侧加入光电耦合器可以保 护接口电路，将光学系统与接口电路板隔离，消除两者间的干 扰。然后用单稳态触发器将接收到的信号进行整形，调整信号 的电压和脉宽，使信号变为适合接口电路处理的形式。在进行 测量点三维信息计算的时候，已知缝、帧、行扫描镜的转速及 面数，只要测得各扫描镜从初始位置扫到测量点所需的时间， 就可以得到扫描角s a 、f a 、l a ，公式为： ( 1 8 ) ( 1 9 ) 釜兰童三丝塑堂堡呈墨堡墨丝 其中t l 、t s 、t f 分别为行、缝、帧扫描镜转动的周期时间。t l 、 t s 、t f 可以通过扫描镜的转速得到，但是由于电机转动具有不稳性， 而且由于工艺上的原因扫描镜的每个镜面不一定对称，因此不能用 一个固定值来计算，而应实时测量得出。于是在接口电路中专门设 置三个计数器对扫描镜转动周期进行计数。扫描镜每面转到初始位 置时会发出一同步信号，可将此同步信号分频作为计数器控制信号。 计数器采用8 2 5 4 中的计数通道， 器耄几n几n1n1n兀n兀r 几 罂萼广_ 信号 l 图9 将其中的三个计数通道设为方波发生器方式。由于缝、帧扫描 镜都是六面体，因此可同用步信号的十二分频作为计数通道的门信 号，如图9 所示： 当门信号为高时，计数器对扫描镜转动的周期时间进行计数， 门控信号变低时