仿人眼功能的三维激光扫描算法

2009年5月第35卷第5期北京航空航天大学学报Journa l of Be iji ng Univers it y of Aero nauti cs and Astronauti cs M ay 2009Vo.l 35 No 15收稿日期:2008208210基金项目:国家863计划资助项目(2006AA04Z218)(2008AA04Z210);国家自然科学基金资助项目(60775059) 作者简介:陈伟海(1955-),男,浙江象山人,教授,whchenbuaa @126.co m .仿人眼功能的三维激光扫描算法陈伟海 宋蔚阳 荣利霞 刘敬猛(北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京100191)摘 要:针对目前国内外应用于移动机器人的三维激光扫描系统存在的扫描效率问题,提出了一种仿人眼功能的三维激光扫描算法.从仿生学角度出发,该算法模仿人类眼睛的扫描功能,对陌生环境进行分步扫描:根据当前的扫描信息,在线规划出下一步的扫描规律,以减少无用信息的获取;采用分步插补定位的方法来弥补分步扫描带来的时间消耗,从而提高了扫描系统的效率.为了满足扫描算法的在线处理对实时性的要求,采用了一种DSP(D i g ital Si g 2nal Processing)+FPG A (F ield 2Progra mm able Gate Array)的硬件平台架构:即DSP 作主控制器负责三维信息的获取,FPG A 作协处理器负责扫描算法的实现.实验结果表明仿人眼功能的扫描算法可以有效的提高三维扫描系统的扫描效率.关 键 词:移动机器人;三维激光;拟人眼;分步插补定位中图分类号:TP 242.6+2文献标识码:A 文章编号:100125965(2009)05205632043D laser scann i ng a lgor ithm w ith hum anoi d 2eye functionChen W eiha i SongW eiyang Rong L i x ia Liu Ji n gmeng(School of Auto m ati on Sci en ce and E lectricalE ngi neeri ng ,Beiji ng Un i vers i ty ofA eronau tics and A stron auti cs ,Beiji ng 100191,Ch i na)Abs tr a c t :A i m ing at the scann i n g effic iency of three d i m ensional (3D)laser scanni n g syste m f or mob ile robot a ll over the worl d ,a humanoid 2eye 3D laser scanning a l g orith m was pr oposed .I m itati n g t h e scanning f u nction of human eyes fro m b ionics ,th is a l g orit h m divi d es t h e scann i n g pr ocess i n to t w o steps :accordi n g to t h e scann i n g i n f o r m ation currentl y ,the scann i n g sche me of the next step w illbe planned to reduce the ga i n ofuseless inf or m ati o n ;Thr ough adopti n g the stepping interpolation locati o n to f etch up the ti m e consum ing fro m stepp i n g scan,t h e effic iency of the scan can be i m proved .To satisf y the rea l 2ti m e requ ire ment f or the online co mputi n g ,a hardware arch itecture consisti n g of d i g ital si g na l processing (DSP)and field 2progra mm able gate array (FPGA )was proposed .Theref ore ,as the ma i n controller ,DSP can obta i n 3D laser data ;as the copro 2cessor ,FPGA can co mp lete the scann i n g algorithm .The experi m ent result sho ws t h e humanoi d 2eye scanning algorithm can i m pr ove t h e e f fi c iency of the 3D scann i n g syste m greatl y .Ke y wo r ds:mob ile robots ;3D l a ser ;hu m anoi d 2eye ;stepp i n g i n ter polati o n location定位、导航和轨迹规划是移动机器人技术研究的关键技术,地图三维重构是定位、导航、轨迹规划的基础[1].实现三维景深建模和重构,需要环境的三维信息,目前三维环境信息获取主要有3种途径:¹多目摄像机,º单目摄像机加二维激光器,»三维激光器.前两种方法都有一定的局限性:第1种方法只能获得环境的2.5D 的信息;第2种方法由于摄像机和激光器所获得的信息量差别巨大,导致两者之间很难得到匹配,而且采用摄像机获得的视觉信息在实时处理上也有很大困难.三维激光器可以提供环境的三维深度信息,比较适合应用于移动机器人上,但是目前市场上的三维激光扫描仪价格昂贵,扫描时间过长,导致其应用不是很广泛.L MS291是德国SI CK 公司生产的二维激光器,它可以在1s 内测得75组二维距离数据,1组数据可包含180个距离数据.当前国内外有许多把L MS291改造成三维激光测距仪来应用的例子[2-5],这些研究的方法都是利用电机驱动机构运动来给二维激光测距仪增加一个自由度的运动,从而实现对三维景深的测量.在文献[6]给出的应用于自动车的例子中,L MS291在垂直方向扫描的同时,由A m tec腕关节模块带动L MS291作水平盘旋,从而来获得三维景深数据.文献[6]的算法存在一些不足,即不能分辨出有效的信息,对复杂信息和简单信息都采用同样的分辨率,导致数据采集量过大,严重影响了系统的采集效率.基于文献[6]的系统文献[7]提出了一种快速3D激光扫描系统,这个系统采用了一种新颖的机构设计,这种机构相当于一个变形机构,它可以使得L MS291获得4种扫描方式.文献[7]指出:由于在每种扫描方式中扫描点的区域密度是不平均的,这样就可以根据实际情况,根据不同的场景来选择不同的扫描方式,使得自己感兴趣的扫描区域处于区域密度较高的区域.但是文献[7]的方法也存在缺陷:这种方法从机构变化的角度来实现扫描密度的差异化,这就导致了其密度差异化的不灵活性,即只有4种密度差异变化并且这种变化是不连续的突变.这使得其在某些场合得不到应用,而且这种过频的手工变换系统机构的方式,在实际应用中非常不方便.从人眼对环境观察时的扫描功能中得到启发,本文根据人眼在陌生环境中的扫描规律,提出了一种利用插补原理的可变分辨率的扫描方法,设计了拟人眼三维激光扫描系统.在不增加系统复杂度的情况下,可以有效减少无用信息量的采集,增大有用信息量的采集.1三维激光扫描系统1.1三维扫描系统的原理如图1a所示,本文研究了一种类似于文献[6]机构的扫描系统.L MS291被垂直放置,可以获得垂直面上的景深信息;水平旋转采用本文自己研制的智能模块驱动,该智能模块可以绕竖直方向作水平旋转,从而可以获得三维景深数据. L MS291本身的分辨率为整幅图像的垂直分辨率;智能模块旋转的角度采样频率决定了整幅图像的水平分辨率.模块的控制器核心器件采用美国TI公司的D igita lSignalProcessi n g(DSP),主要负责从串口读取L MS291的2D数据和控制智能模块的水平转动,并将2D激光数据和智能模块旋转角度结合起来形成3D信息.控制系统采用A ltera公司的F ield2Progra mmable Gate A rray(FP2 G A)作为协处理器,负责扫描算法的实现. L MS291在智能模块的带动下作变速水平转动,这样的系统于是可像人的眼睛那样从外界获得三维信息.见图1b~图1d[6-7].a本文提出的系统b Bren n eke的系统c Wu lf的系统d W ulf系统4种扫描方式图1国内外主要的几种三维激光采集系统1.2扫描系统的结构扫描系统的显示系统控制器为ARM(A d2 vanced R I SCM ach i n es),主要负责整个系统的调度和图形的显示.本文提出的方案首先在PC上进行调试,然后再向AR M上移植,引入PC是为了调试的方便.控制系统采用CA N总线通讯,伺服控制系统负责从L MS291采集数据和控制电机带动L MS291作水平旋转,并且在DSP内部实时的将L MS291的数据和电机的角度整合在一起,并且在当前次的扫描过程中,同时也规划出下一次扫描的速度曲线.在实验过程中,PC首先通过PCI2CAN卡将命令发送到DSP,于是DSP根据接受到的命令驱动模块电机转动,使L MS291获得3D数据;然后将获得的3D数据传送至FPGA进行数据处理,等处理完后FPG A将数据传回DSP 进行电机控制;最后3D数据送至PC进行数据显示,系统结构如图2所示.图2三维激光扫描系统的结构框图564北京航空航天大学学报2009年2 三维激光扫描算法设计对于一幅图像,希望它的分辨率越高越好.L MS291本身最小的分辨率是0.25b ,如果电机的转角要获得0.25b 的分辨率,只有在其转速比较低的情况下才能实现,这是由L MS291本身的传输速率的瓶颈所决定的.L MS291的分辨率R 可以分别设置为1b ,0.5b 和0.25b ,其每组数据传输的传输间隔T i 分别为13.3ms ,26.6ms 和53.2ms ,那么R ,T i 和电机的转速V ((b )/s)的关系必须满足公式(1):1000RV\T i(1)从公式(1)可以发现在某一特定垂直分辨率下水平分辨率和智能模块的转速之间关系是冲突的.经过实验,水平分辨率R 和智能模块的速度V 的最佳对应关系(V B R )测定如下:(2B 120),(1B 60),(0.5B 18)和(0.25B 4.8),于是如何既获得一个高分辨率又有好的实时性就成了一个关键问题.从人眼的功能中可以得到启发来解决这一关键问题.例如当人眼观察一个陌生环境,需要快速的了解环境信息时,往往是对景物进行一次大致扫描,然后会把注意力盯在他感兴趣的物体上,人眼这种去粗取精的功能可以迅速的获得自己感兴趣区域的完整信息.把人眼的这种鲁棒功能移植到三维激光扫描系统中,把扫描系统对场景的扫描过程分为两步:如果扫描对象为不感兴趣的物体,那么扫描仪一扫而过;反之对于感兴趣的物体,扫描仪的扫描速度则变低,如图3所示.图3 分步扫描示意图把整个扫描过程分成两次:首先让智能模块带动L MS291以一个很快的速度,例如以水平分辨率为2b 进行第1次扫描.扫描的过程中,将数据传送至FPG A 进行下一步扫描的速度曲线规划,生成一个速度曲线.速度曲线的特点是在感兴趣的区域内,电机的扫描速度会低一些,例如分辨率设置为0.25b ;在一些不感兴趣的区域里,模块的扫描速度仍为2b ;当扫描过程结束后最终的扫描效果为:如果是不感兴趣的区域,那么分辨率为1b ;如果是感兴趣的区域,那么分辨率为0.25b .由于L MS291传输数据的速率存在一定瓶颈,对其每一组数据都需要充分利用,所以不能完全按照图中所示的通过角度中断的方法每隔2b 或者0.25b 去读取数据,而是应该在每组数据到达的时候去读取模块的角度.这样在第1次扫描结束后,需要根据经验值给转动的模块一个很小的延时,以确保两次扫描的点不重合,并且这些扫描点大致如图3所示呈均匀分布.速度曲线规划是整个扫描过程中关键的一步,由于采集到的三维景深数据是在极坐标系下的,这对于点的判别分类很不方便,所以要首先将其转换到笛卡儿坐标系下进行.如何来界定哪些是感兴趣的区域,哪些不是感兴趣的区域呢?这需要对获得的图像进行特征提取[8-10].由于特征提取需要在线的处理,因此应将图像模型简单化,将点云数据按照读取的顺序,如图4所示映射到一个直角坐标系里.规定如果图像的差异度较大的地方就是感兴趣的区域,而那些差异度不大的地方则不是感兴趣的地方.图4 点云数据在笛卡尔坐标系下映射图在扫描过程中y 方向上的点是一次读入的,例如虚线范围内的点;而沿x 方向的点是随着模块的角度变化而不断读入的,定义差异度的阈值为15c m,当然这个阈值可以根据实际情况而实时调整.定义差异度D i 初始值为0,在y 方向上,依次比较相邻点的高度差异值,若差异值超过了阈值,则差异度增1;在x 方向上,依次比较相邻点,差异度的变化同y 方向,如式(2),式(3)所示.D i =ENj=0(f (p i ,j -p i ,j+1)+f (p i ,j -p i-1,j ))i =1,2,3f (x)=1 (|x |>15)0 (|x |[15)(2)v i =v max (差异度[5)v m in (差异度>5)(3)565第5期 陈伟海等:仿人眼功能的三维激光扫描算法由于频繁的加减速对模块的运作不利,所以,在生成速度曲线时,速度一旦进入v max 后必须保持10b 以上.如下图所示:图5a 为第一次扫描的速度曲线.在扫描的过程中,确定了图5b 所示的速度曲线,本文S 1X S c 1,S 2X S c 2,S 3X S c 3,该曲线只是一个为计算最终的速度曲线而建的过渡曲线,S 2为感兴趣的区域,速度较低;S 1和S 3为不感兴趣的区域,速度较快.据此规划出如图5c 所示的速度曲线,其中加速度是给定值,按照图5c 的速度曲线,模块带动L MS291进行下一次的扫描.a 第1步扫描过程的速度曲线b 第1步扫描过程中生成的过渡曲线c 规化出的下一步的速度曲线图5 速度曲线的规划过程3 实 验在实验中,选取的扫描场景为一个人站在一面墙前.为了便于对比,让激光扫描系统按照常规方法和本文提出的方法分别进行一次扫描.在常规方法中,让模块以60(b )/s 的速度运动,扫描的水平垂直分辨率为1b ,将获得的数据传送至PC ,获得的图像如图6所示.图6 传统方法获得的图像当扫描系统按拟人眼扫描算法扫描时,首先让模块以120(b )/s 的速度运动,扫描的水平分辨率为2b ,垂直分辨率为1b ;然后模块根据第1次扫描的数据信息,规划出速度曲线:在第2次扫描中,选择不感兴趣的区域水平分辨率为2b ,模块速度为120(b )/s ;选择感兴趣的区域水平分辨率设为0.5b ,模块速度设为18(b )/s ,获得的图像如图7所示.图7 仿人眼扫描算法得到的图像在实验中,选取的扫描场景为一个人站在一面墙前,为了便于对比,让激光扫描系统按照常规方法和本文提出的方法分别进行一次扫描.在常规方法中,让模块以60(b )/s 的速度运动,扫描的水平垂直分辨率为1b ,将获得的数据传送至PC ,获得的图像如图6所示从图7中可以看出,整幅图像中,人是感兴趣的物体,希望可以获得更多的关于人的信息.在传统的方法中,如果对人的扫描分辨率为0.5b ,那么消耗的时候较长;采用本文提出的方法可以很好的解决这个问题,在消耗的时候比传统方法不太多的情况下,获得了更多的有效信息,提高了系统的扫描效率.4 结 论本文从仿生学角度出发,模仿人眼的功能,提出了一种基于DSP+FPGA 的仿人眼三维激光扫描算法,将扫描过程分步化,根据辨识的信息对电机的扫描速度进行速度规划,使得模块带动L MS291对感兴趣的景物扫描的速度降低,增大信息量获取;对不感兴趣的景物扫描速度加快,减小信息量获取,提高了系统的扫描效率.实验结果表明,在几乎相同的时间内,相比于传统方法,仿人眼功能的三维扫描算法对景物信息的获取有明显的优势.参考文献(Referen ces )[1]曾姝彦,张广军,李秀智.基于Gabor 滤波器的图像目标识别方法[J].北京航空航天大学学报,2006,32(8):954-957Zeng Shuyan,Zh ang Guang j un,Li X i uzh.i I m age t arget d i s ti n 2gu i s h based on Gabor filters[J].Journ al ofBeiji ng Un i versity of A eronau tics and A stronauti cs ,2006,32(8):954-957(i n Ch i 2nese)[2]N i sh i m oto ,K i yosh i,Saga m ,i et a.l Three d i m ensional recogn i 2ti on of en vi ronm ents f or a m ob il e robot usi ng laser range fi nder [C]//Proceedings of t he SIC E AnnualConference ,SI CE Annu 2alCon f eren ce .Japan:SI CE,2007:401-405(下转第571页)566北京航空航天大学学报 2009年力明显优于硬件接收机.4结论本文研究与测试了GPS软件接收机动态定位能力,在车载动态环境中,实现了对GPS信号的捕获跟踪和导航定位,并与NovA tel公司的F l e xPax2G2L型硬件接收机的定位性能进行了比较,可以得到如下结论:GPS软件接收机参数可调,在通用硬件平台上,仅需软件设置就可改变环路参数,适用于GPS/I NS超紧组合系统.由于采用纯软件处理中频采样信号,GPS软件接收机对于信号遮挡和多径效应可以通过滤波等方法进行抑制,其动态抗干扰能力明显优于硬件接收机.参考文献(Referen ces)[1]Ak os Denn i s M.A s oft ware rad i o approach to g l obal navigationsatellite syste m receiver d es i gn[D].Oh i o:E lectricalEng i neer2i ng,Oh i o Un i versity,1997[2]罗兴宇,张其善.高动态GPS信号C/A码捕获方案及实现[J].北京航空航天大学学报,2002,28(6):57-62Luo X i ngyu,Zhang Q is h an.Con trol strategy and i m ple m entati on for acqu i r i ng C/A code of h igh dyna m i c GPS s i gnals[J].J our2 na l of Beiji ng Un ivers i ty ofAeronauti cs and A stronauti cs,2002,28(6):57-62(i n Ch i n ese)[3]陈熙源.基于MATLAB的GPS软件接收机捕获与跟踪算法实现[J].北京:中国惯性技术学报,2007,15(4):12-14Chen X i yuan.Reali zation of acqu i s i ti on and track i ng al gorith m s for GPS soft w are recei ver b ased on MATLAB[J].J ou rnal of Ch i nese Inerti al Technol ogy,2007,15(4):12-14(i n Ch i2 n 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