基于計算機仿真的全景視覺鏡面設計

　引言

　　全景視覺系統(tǒng)是由一個朝上放置的攝像頭和一個反射鏡面組成，攝像頭通過反射鏡面獲得360度范圍的圖像。因其視野廣泛，足球競賽機器人通常采用全景視覺系統(tǒng)來獲取整個球場的信息。反射鏡面是影響全景視覺的圖像效果和觀察范圍的重要因素。美國哥倫比亞大學的Simon Baker和Shree K. Nayar等人專門對全景視覺系統(tǒng)的幾何特性進行了仔細的研究和分析，并提出了“單一視點（single viewpoint）”的問題[1]。符合單一視點的曲面，所有射向焦點的光線經(jīng)過反射后都射向另外一個焦點或者平行于對稱軸，而不是散射開來。

　　研究表明，不同鏡面適用于不同的觀察需求。常用的曲面鏡面（如拋物面，錐面等）往往不能同時滿足執(zhí)行特殊任務的機器人的多個觀察需求。于是有學者提出根據(jù)觀察需求或者假設的成像效果反推鏡面的曲面[2]，以設計出滿足特殊任務需求的鏡面輪廓。本文的鏡面設計過程是根據(jù)反推算法求得曲面輪廓，并且建立相應的模型仿真預先觀察成像效果，與期望的成像進行比較，根據(jù)一定的*估和分析，優(yōu)化參數(shù)，由計算機完成大量的計算過程和定量分析。這種設計方法可以高效地設計出性能好、成本低的鏡面。

　　1鏡面設計原理及成像仿真系統(tǒng)的開發(fā)

　　1.1 鏡面設計原理和方法

　　要預知經(jīng)過鏡面反射之后的成像效果，就必須知道鏡面曲線和經(jīng)過鏡面反射后的成像點（CCD上的成像單位）與現(xiàn)實空間點的映射關系。

圖1 鏡面成像原理

　　以小孔成像模型作為攝像頭的成像模型，因為鏡面是旋轉(zhuǎn)對稱的結(jié)構(gòu)，只需研究二維的鏡面剖面曲線。如圖所示，根據(jù)光線反射定理和小孔成像法則，可以得到如下關系式：

　　上式中F（t）為曲線方程，具體的關系式推導可參考[4]。

　　若是未知鏡面曲線方程，而給定現(xiàn)實點與圖像點的對應關系，則需要反推鏡面輪廓線。逆向求取鏡面曲線的方法分為兩種：解析解[2]和數(shù)值解[3]。本文采用求數(shù)值解的算法，因為它計算復雜度小，利于編程實現(xiàn)。主要實現(xiàn)流程如圖2所示：

圖2 鏡面輪廓設計實現(xiàn)流程圖

　　1.2 成像仿真

　　為了使鏡面曲線設計更直觀，更方便調(diào)整參數(shù)，對鏡面成像效果進行仿真預覽可以使設計的應用更加友好，同時利于提高效率和設計質(zhì)量，避免設計和預期的效果出現(xiàn)過大的出入，造成時間和成本的浪費。仿真系統(tǒng)以matlab為開發(fā)平臺，因為Matlab具有強大的數(shù)學計算功能以及圖像處理庫，可以提供方便的函數(shù)調(diào)用，縮短仿真系統(tǒng)開發(fā)的時間。

　　根據(jù)上述得到的圖像和實際空間矢量的映射關系來進行成像圖形的仿真。首先需要獲取進行鏡面映像的環(huán)境，文中用于仿真的環(huán)境是足球機器人的比賽場地（包括場地上的白線，球門，門柱等）以及比賽用球。場地上的物體信息都是簡單的規(guī)則性幾何體，確定了全局坐標系之后，即可以得到各個物體的空間表達式，即它們的數(shù)學模型。假設以場地中央為全局坐標原點，根據(jù)右手法則，長度方向為x軸（指向黃球門），寬度方向為y軸，z軸垂直地面向上，則主要物體的數(shù)學模型如下（計算單位為mm）：

　　球：

（其中r=110）

　　黃球門： 藍球門：

　　設機器人在場地中的位置為（dx,dy,θ）T，dx,dy為平面坐標位置，θ是機器人朝向角。物體數(shù)學模型（x,y,θ）T與以機器人視覺系統(tǒng)為原點的局部坐標下的表達式（x’,y’,z’）T存在以下關系：

　　因為鏡面為旋轉(zhuǎn)對稱鏡面，為簡化模擬成像的計算量，取θ=0。于是變換矩陣簡化為：

　　根據(jù)之前計算所得的像素與空間矢量（物體模型上的點必通過某一空間矢量）的關系式即可得到所設計的虛擬環(huán)境的成像效果圖。之后根據(jù)成像效果圖修改參數(shù)，并通過成像仿真快速達到所需要的效果，可得到最終的鏡面加工參數(shù)。

2 實驗與結(jié)果

　　所設計的用于足球機器人的鏡面需滿足下列要求：

　　1） 當機器人在場地中間位置時，需要看到球門，以便區(qū)分己方球門和對方球門，確定運動的方向。

　　2） 看到的遠處的球要具有較準確的方向信息。

　　3） 看到的近處的球要具有較準確的方向和距離信息，即要求近處的觀察分辨率需要達到一定的要求。

　　4） 盡可能少地看到機器人本身（無用信息），以便更多地獲取機器人四周的環(huán)境信息。

　　根據(jù)以上要求，可將鏡面分成兩部分設計，一部分用來觀察機器人1m內(nèi)的范圍，一部分觀察1米外和球門的信息。實現(xiàn)過程如下：

　　事先根據(jù)需要考慮整個圖像的觀察區(qū)域分布，分配不同距離區(qū)間的分辨率，然后運行仿真程序得到鏡面曲線和成像效果（見圖3），并且把鏡面曲線的各點坐標保存成數(shù)據(jù)文件，方便后期的數(shù)控車床加工提取數(shù)據(jù)。實際鏡面成像效果圖如圖4所示。

圖3 鏡面剖面圖和成像效果圖

圖4 加工完成的反射鏡面及實際鏡面成像圖

　　3 總結(jié)

　　通過虛擬仿真的計算機輔助設計方法以及鏡面逆推算法，可以方便而有效地設計出全景視覺系統(tǒng)的反射鏡面，滿足了預先設想的任務要求，在足球機器人應用良好。借助計算機輔助設計及仿真方法，產(chǎn)品設計不僅提高了效率，更提高了設計的質(zhì)量，并且能把設計集中在創(chuàng)新上而不是一些繁瑣的計算和參數(shù)細化上。