一種非均勻行采集的智能車路徑識(shí)別算法

　　摘要：提出了一種非均勻行采集的路徑識(shí)別算法。在圖像采集中，采用非均勻行采集實(shí)現(xiàn)了圖像畸變矯正;在圖像處理中，根據(jù)攝像頭采集時(shí)序，對圖像進(jìn)行橫向?yàn)V波、閾值分割、邊緣檢測、縱向?yàn)V波和導(dǎo)航參數(shù)提取等。該算法合理安排程序流程，提高了圖像處理和車體控制的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方法能夠有效降低噪聲干擾和圖像畸變對參數(shù)提取的影響，提取出精確的引導(dǎo)線導(dǎo)航參數(shù)。

　　關(guān)鍵詞：視覺導(dǎo)航;智能車;圖像處理;路徑識(shí)別

　　引言

　　利用機(jī)器視覺，通過識(shí)別路面條帶狀引導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航是現(xiàn)階段智能車常用的導(dǎo)航方法[1]。該方法不僅具有視覺導(dǎo)航信息量豐富，智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)，而且引導(dǎo)線的加入大大降低了圖像處理的數(shù)據(jù)量和技術(shù)成本，提高了智能車控制的實(shí)時(shí)性和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的可行性。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題是路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

　　本文基于黑白攝像頭和Freescale16位單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能車路徑識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　智能車通過識(shí)別白色地板上的黑色引導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)路徑的跟蹤。根據(jù)攝像頭按行采集的特性，首先對單行數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?yàn)V波、檢測邊緣、提取路徑，整場圖像采集完后再對提取的路徑信息進(jìn)行縱向?yàn)V波，對特殊路況進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)了對路徑的精確識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中所提出的路徑識(shí)別算法抗干擾性強(qiáng)、原理簡單、計(jì)算量小，能滿足路徑識(shí)別的準(zhǔn)確性和智能車控制的實(shí)時(shí)性要求。

　　非均勻行圖像采集

　　攝像頭在拍攝圖像的時(shí)候，最理想的位置是垂直于拍攝平面，這樣才能保證圖像按原來的幾何比例重現(xiàn)。然而受到智能車車體結(jié)構(gòu)的限制和車體控制需攝像頭有一定預(yù)瞄距離的要求[2]，攝像頭一般與地平面成一定角度安裝。安裝角度的存在會(huì)造成一定的成像畸變，圖像的畸變會(huì)產(chǎn)生一系列問題：垂直線被拍攝成斜線導(dǎo)致斜率計(jì)算錯(cuò)誤，遠(yuǎn)處的彎道被壓縮導(dǎo)致曲率計(jì)算錯(cuò)誤等等。在這種情況下，直接利用目標(biāo)引導(dǎo)線在圖像中的相對位置制定控制策略，會(huì)造成較大的誤差，甚至使小車嚴(yán)重偏離引導(dǎo)線。針對此問題，本文在分析攝像頭成像模型的基礎(chǔ)上，提出了一種非均勻行采集的圖像畸變矯正算法。圖2為攝像頭成像示意圖[3]。

　　圖中，梯形區(qū)域ABCD為攝像頭視野范圍，Y軸方向?yàn)橹悄苘嚽斑M(jìn)方向。由圖可得圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

　　式中，N為采集圖像的總行數(shù);α為攝像頭張角，θ為攝像頭俯仰角，f為攝像頭的焦距，h為攝像頭安裝高度。

　　由式(2)得到圖像行數(shù)v與世界坐標(biāo)y的關(guān)系曲線如圖3所示。圖像行數(shù)與其所反映的實(shí)際距離之間是非線性關(guān)系，距離越遠(yuǎn)，圖像中兩行間的實(shí)際距離越大，即攝像頭對遠(yuǎn)處的路平面進(jìn)行了縱向的壓縮，而且距離越遠(yuǎn)，壓縮越嚴(yán)重。

　　為了消除這種畸變，令單片機(jī)非均勻地采集攝像頭輸出圖像中的行，在距離較遠(yuǎn)處采集的行數(shù)較密，近處采集的行數(shù)較少。這種規(guī)則通過采集行數(shù)的非線性彌補(bǔ)了圖像行數(shù)與實(shí)際距離的非線性，實(shí)現(xiàn)了等空間間距的均勻采樣，從而保證了智能車控制器采集得到的圖像在縱向上與實(shí)際路平面間相對無畸變或畸變較小。

　　經(jīng)非均勻行采集進(jìn)行縱向畸變矯正后，圖像坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)變換公式為：

　　其中d為世界坐標(biāo)系中兩采樣行的間隔。

　　由于所用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換能力有限，且本系統(tǒng)的目的只在于提取出黑線中心，最終方案采集40×60分辨率的圖像。根據(jù)攝像頭的參數(shù)和公式(3)計(jì)算得到本系統(tǒng)非均勻行采集的行數(shù)分布如表1所示。

　　圖像處理

　　圖像處理流程

　　該攝像頭的場掃描頻率為50Hz，為了提高智能車控制的實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)選擇控制周期為20ms，即在一個(gè)圖像場周期內(nèi)必須完成圖像采集、圖像處理、路徑識(shí)別和車體控制等一系列工作。這就需要合理規(guī)劃處理流程，同時(shí)要求各種算法簡練有效。本系統(tǒng)的程序流程如圖4所示，采集完一行圖像后，利用到下一采集行的空余時(shí)間處理該行數(shù)據(jù)，提取路徑。待整場圖像采集完畢，利用場消隱的時(shí)間對整場路徑進(jìn)行縱向?yàn)V波，判斷路況，并對舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行控制。