橋式起重機運行環(huán)境三維建圖偏振光降噪研究

周奇才 趙科淵 熊肖磊，2 趙炯

1同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 上海 201804 2同濟大學(xué)浙江學(xué)院 嘉興 314051

0 引言

橋式起重機實現(xiàn)智能化無人運行需要具備對運行環(huán)境進行三維建圖的能力，以實現(xiàn)避障的效果。在機器人技術(shù)中，建立用于導(dǎo)航避障的三維稠密地圖所用的設(shè)備通常有雙目相機、結(jié)構(gòu)光相機、激光雷達等。

結(jié)構(gòu)光相機的缺點是測量距離近，激光雷達的缺點是分辨率較低，本文選用測量距離遠(yuǎn)、分辨率高的雙目相機作為三維建圖的傳感器，但雙目相機對光照條件要求高。在光照條件較差的情況下，使用雙目相機得到的三維地圖精度較差，甚至不能進行建圖工作。

在以往的工作中，出現(xiàn)了由于被重建物體表面粗糙度較低，反射了一部分環(huán)境光的情況。在雙目相機采集到的圖像中，進行立體匹配時因耀斑在左目圖像和右目圖像中的位置不同產(chǎn)生了誤匹配，進而降低了重建產(chǎn)生的三維地圖的精度，反光造成的誤匹配如圖1所示，藍(lán)圈內(nèi)為反光造成的誤匹配。本文為之前工作的進一步研究，使用偏振濾鏡對物體表面的反光耀斑進行過濾。關(guān)于雙目視覺建圖的詳細(xì)步驟可參閱文獻[1]，這里不再重復(fù)敘述。本文的主要工作是：1）分析了物體表面耀斑影響建圖精度的原因；2）在常見濾鏡中選取偏振濾鏡對反光耀斑進行過濾；3）進行對比實驗，驗證偏振濾鏡對橋式起重機三維重建結(jié)果精度的有效性。

圖1 反光造成的誤匹配

1 相關(guān)研究

雙目視覺最初用于機器人的導(dǎo)航、定位等工作。楊娜[2]使用雙目視覺解決了室內(nèi)服務(wù)機器人導(dǎo)航問題；蘇東[3]將雙目視覺應(yīng)用于小型無人飛行器的導(dǎo)航與避障；張學(xué)賀[4]將雙目視覺應(yīng)用于六足機器人環(huán)境地圖構(gòu)建。雙目相機三維重建被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域。劉同海[5]使用雙目視覺用于豬體尺寸測量和三維重構(gòu)。樊仲謀等[6]使用雙目相機對森林樣地進行測量。農(nóng)業(yè)上，雙目視覺多用于果實的采摘。國內(nèi)專家學(xué)者關(guān)于荔枝、葡萄、番茄等農(nóng)作物的采摘都使用雙目視覺開展了研究[7-9]。

雙目視覺在起重機方面的應(yīng)用起步較晚，但也有相關(guān)研究人員開展了工作。劉濤等[10]對于使用雙目相機解決塔機防碰撞控制系統(tǒng)開展了研究；令狐乾錦[11]使用雙目相機針對自動化岸邊集裝箱起重機裝卸作業(yè)時船槽定位的問題提出了技術(shù)方法；程文明等[12，13]則使用雙目相機對于集裝箱起重機的裝卸系統(tǒng)開展了豐富的研究；谷夢華[14]使用雙目相機建立了關(guān)于塔式起重機的安全監(jiān)控系統(tǒng)；

然而，使用雙目視覺所獲得三維結(jié)果總是存在缺陷，如孔洞、耀斑和其他形式的噪聲。關(guān)于使用偏振技術(shù)解決高反光的三維重建問題，平茜茜等[15]開展了探索，其研究成果為本文提供了思路。

2 耀光消減

光波是一種橫波。各方向振動分量相同的自然光在經(jīng)過物體表面反射后會變成部分偏振光[16]。同種條件下更光滑的表面更容易產(chǎn)生耀光，形成反光耀斑。消減反光耀斑對三維重建結(jié)果影響的方法有前期處理和后期處理。前期處理為在畫面保存為圖像文件前對畫面進行減少曝光時間、使用各種濾鏡等操作。后期處理是對圖像文件的亮度、對比度、灰度等參數(shù)值進行修改。

用于三維重建的理想的圖像使圖像細(xì)節(jié)都能得到很好的表現(xiàn)，圖像的暗部畫質(zhì)也能得到保障，減少圖像反光區(qū)域。有2種方法可以達到這樣的效果。

1）采用分區(qū)曝光然后后期多幀合成的方式 在前期拍攝中，針對不同亮度的區(qū)域分別進行拍攝，然后通過軟件進行合成。在亮度差異較大的場景里，以拍攝清楚高亮度區(qū)域的細(xì)節(jié)為目標(biāo)設(shè)定參數(shù)，亮度較低的區(qū)域可以在后期提高亮度。設(shè)定一個較小的曝光時間，后期調(diào)整曝光、高光、陰影等值，提高曝光不充分的暗部的亮度。這種方法雖可看到細(xì)節(jié)，但整體上畫質(zhì)非常差。暗部細(xì)節(jié)充滿雜色和噪點，這種操作的結(jié)果對于起重機運行環(huán)境三維感知過程中的立體匹配不理想，方法不適用于自動采集圖像并生成三維場景的情況。

2）前期拍攝時一次性完成，使用濾鏡幫助平衡光比 在常用的濾鏡中除與能消減耀光無關(guān)的濾鏡外還有中灰濾鏡和偏振濾鏡。

中灰濾鏡主要目的是為了防止拍攝曝光過度。使用中灰濾鏡可以減少進光量，相當(dāng)于變相減少了曝光時間。因此使用中灰濾鏡會減低整張圖像的亮度耀光得到了消減，但也降低了耀光以外的其他區(qū)域的亮度，會丟失一些暗部的細(xì)節(jié)。

偏振濾鏡常用來消除或減弱物體表面的耀光，從而消除或減輕光斑。

根據(jù)中灰濾鏡和偏振濾鏡的特點，本文選用偏振濾鏡來實現(xiàn)反光耀斑的消除。

3 實驗

本文使用圖2所示的實驗臺對所提出的方法進行驗證，分別在不裝偏振濾鏡和裝有偏振濾鏡的情況下對障礙物進行三維建圖，如圖3所示。

圖2 起重機視覺實驗臺

圖3 雙目相機

實驗采集到的左目圖像如圖4所示?？梢钥吹焦褡印A凳、石膏像3個障礙物表面反光耀斑都有不同程度的降低。圓凳表面最光亮，經(jīng)過使用偏振濾鏡后得到的圖像其表面成像效果已和柜子和石膏像一致，均沒有明顯耀斑。

圖4 左目圖像

由雙目圖像經(jīng)三維重建方法獲得的點云圖像如圖5所示。可以看到，未裝偏振濾鏡獲得的點云出現(xiàn)了較多的誤匹配，反光耀斑最嚴(yán)重的圓凳三維建圖結(jié)果最差。裝有偏振濾鏡的圖像獲得的三維點云重建結(jié)果較好。本實驗由于只采集單幀雙目圖像，故方柜的4個側(cè)面沒有重建結(jié)果。

圖5 點云結(jié)果

4 結(jié)論

本文提出了通過偏振濾鏡對反光耀斑進行消除的方法，并根據(jù)所提出的方法進行了實驗。實驗結(jié)果表明：偏振濾鏡和可以有效削弱反光耀斑，進而減少誤匹配情況。偏振濾鏡尤其對于視線夾角30°～50°之間的反光耀斑消除效果最好。該方法可提高三維建圖結(jié)果的準(zhǔn)確性。