機器人視覺系統(tǒng)有哪些關(guān)鍵的技術(shù)

機器人視覺系統(tǒng)是指用計算機來實現(xiàn)人的視覺功能，也就是用計算機來實現(xiàn)對客觀的三維世界的識別。人類接收的信息70%以上來自視覺，人類視覺為人類提供了關(guān)于周圍環(huán)境 最詳細(xì)可靠的信息。

人類視覺所具有的強大功能和完美的信息處理方式引起了智能研究者的極大興趣，人們希望以生物視覺為藍(lán)本研究一個人工視覺系統(tǒng)用于機器人中，期望機器人擁有類似人類感受環(huán)境的能力。機器人要對外部世界的信息進(jìn)行感知，就要依靠各種傳感器。就像人類一樣，在機器人的眾多感知傳感器中，視覺系統(tǒng)提供了大部分機器人所需的外部相 界信息。因此視覺系統(tǒng)在機器人技術(shù)中具有重要的作用。

依據(jù)視覺傳感器的數(shù)量和特性，目前主流的移動機器人視覺系統(tǒng)有單目視覺、雙目立體視覺、多目視覺和全景視覺等。

單目視覺，單目視覺系統(tǒng)只使用一個視覺傳感器。單目視覺系統(tǒng)在成像過程中由于從三維客觀世界投影到N維圖像上，從而損失了深度信息，這是此類視覺系統(tǒng)的主要缺點( 盡管如此，單目視覺系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單、算法成熟且計算量較小，在自主移動機器人中已得到廣泛應(yīng)用，如用于目標(biāo)跟蹤、基于單目特征的室內(nèi)定位導(dǎo)航等。同時，單目視覺是其他類型視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)，如雙目立體視覺、多目視覺等都是在單目視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過附加其他手段和措施而實現(xiàn)的。

雙目立體視覺。雙目視覺系統(tǒng)由兩個攝像機組成，利用三角測量原理獲得場景的深度信息，并且可以重建周圍景物的三維形狀和位置，類似人眼的體視功能，原理簡單。雙目 視覺系統(tǒng)需要精確地知道兩個攝像機之間的空間位置關(guān)系，而且場景環(huán)境的3D信息需要兩 個攝像機從不同角度，同時拍攝同一場景的兩幅圖像，并進(jìn)行復(fù)雜的匹配，才能準(zhǔn)確得到 立體視覺系統(tǒng)能夠比較準(zhǔn)確地恢復(fù)視覺場景的三維信息，在移動機器人定位導(dǎo)航、避障和地圖構(gòu)建等方面得到了廣泛的應(yīng)用用。然而，立體視覺系統(tǒng)的難點是對應(yīng)點匹配的問題，該問題在很大程度上制約著立體視覺在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

多目視覺系統(tǒng)。多目視覺系統(tǒng)采用三個或三個以上攝像機，三目視覺系統(tǒng)居多，主要用來解決又目立體視覺系統(tǒng)中匹配多義性的問題，提高匹配精度。多目視覺系統(tǒng)最早由莫拉維克研究，他為"Stanford Cart"研制的視覺導(dǎo)航系統(tǒng)采用單個攝像機的“滑動

立體視覺”來實現(xiàn)，雅西達(dá)提出了三目立體視覺系統(tǒng)解決對應(yīng)點匹配的問題，真正突破了《目立體視覺系統(tǒng)的局限，并指出以邊界點作為匹配特征的三目視覺系統(tǒng)中，其三元的配的準(zhǔn)確率比較高，艾雅湜提出了用多邊形近似宕的邊界點段作為特征的三目匹配算法，并用到移動機器人中，取得了較好的效果，三目視覺系統(tǒng)的優(yōu)點是充分利用了第三個攝像機的信息，減少了錯誤匹配，解決了雙目視覺系統(tǒng)匹配的多義性，提高了定位精度，但三目視覺系統(tǒng)要合理安置三個攝像機的相對位置，其結(jié)構(gòu)配置比雙目視覺系統(tǒng)更煩瑣，而且匹配算法更復(fù)雜需要 消耗更多的時間，實時性更差

全景視覺，全景視覺系統(tǒng)是具有較大水平視場的多方向成像系統(tǒng)，突出的優(yōu)點是有較大的視場，可以達(dá)到360度，這是其他常規(guī)鏡頭無法比擬的，全景視覺系統(tǒng)可以通過圖像拼的方法或者通過折反射光學(xué)元件實現(xiàn)。圖像拼接的方法使用單個或多個相機旋轉(zhuǎn)，對場景進(jìn)行大角度掃描，獲取不同方向上連續(xù)的多幀圖像，再用拼接技術(shù)得到全景圖。折反射全景視覺系統(tǒng)由CCD攝像機、折反射光學(xué)元件等組成，利用反射鏡成像原理，可以觀察360度場景，成像速度快，能達(dá)到實時要求，具有十分重要的應(yīng)用前景，可以應(yīng)用在機器人導(dǎo)航中。全景視覺系統(tǒng)本質(zhì)上也是一種單目視覺系統(tǒng)，也無法得到場景的深度信息。其另一個特點是獲取的圖像分辨率較低，并且圖像存在很大的畸變，從而會影響圖像處理的穩(wěn)定性和精度。在進(jìn)行圖像處理時首先需要根據(jù)成像模型對畸變圖像進(jìn)行校正，這種較正過程不但會影響視覺系統(tǒng)的實時性，而且還會造成信息的損失。另外這種視覺系統(tǒng)對全景反射鏡的加工精度要求很多，若雙曲反射鏡面的精度達(dá)不到要求，利用理想模型對圖像校正則會存在較大偏差。

混合視覺系統(tǒng)，混合視覺系統(tǒng)吸收各種視覺系統(tǒng)的優(yōu)點，采用兩種或兩種以上的視覺系統(tǒng)組成復(fù)合視覺系統(tǒng)，多采用單目或雙目視覺系統(tǒng)，同時配備其他視覺系統(tǒng)。全景視覺系統(tǒng)由球面反射系統(tǒng)組成，其中全景視覺系統(tǒng)提供大視角的環(huán)境信息，雙目立體視覺系統(tǒng)和激光測距儀檢測近距離的障礙物，清化大學(xué)的朱志剛使用一個攝像機研制了多尺度視覺傳感系統(tǒng)POST,實現(xiàn)了雙目注視、全方位環(huán)視和左右兩側(cè)的時代全景成像，為機器人提供了導(dǎo)航。全景視覺系統(tǒng)具有全景視覺系統(tǒng)視場范圍大的優(yōu)點，同時又具備雙目視覺系統(tǒng)精度高的長處，但是該類系統(tǒng)配置復(fù)雜，費用比較高。

在不久的將來，機器人時代一定會徹底走入我們的生活。