一種非均勻行采集的智能車(chē)路徑識別算法

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

　　關(guān)鍵詞：視覺(jué)導航;智能車(chē);圖像處理;路徑識別

　　引言

　　利用機器視覺(jué)，通過(guò)識別路面條帶狀引導線(xiàn)實(shí)現自主導航是現階段智能車(chē)常用的導航方法[1]。該方法不僅具有視覺(jué)導航信息量豐富，智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)，而且引導線(xiàn)的加入大大降低了圖像處理的數據量和技術(shù)成本，提高了智能車(chē)控制的實(shí)時(shí)性和現實(shí)應用的可行性。當前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題是路徑識別的準確性和實(shí)時(shí)性。

　　本文基于黑白攝像頭和Freescale16位單片機設計了智能車(chē)路徑識別系統，系統框圖如圖1所示。

　　智能車(chē)通過(guò)識別白色地板上的黑色引導線(xiàn)實(shí)現路徑的跟蹤。根據攝像頭按行采集的特性，首先對單行數據進(jìn)行橫向濾波、檢測邊緣、提取路徑，整場(chǎng)圖像采集完后再對提取的路徑信息進(jìn)行縱向濾波，對特殊路況進(jìn)行處理，最終實(shí)現了對路徑的精確識別。實(shí)驗結果表明，文中所提出的路徑識別算法抗干擾性強、原理簡(jiǎn)單、計算量小，能滿(mǎn)足路徑識別的準確性和智能車(chē)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(lái)的幾何比例重現。然而受到智能車(chē)車(chē)體結構的限制和車(chē)體控制需攝像頭有一定預瞄距離的要求[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(wèn)題：垂直線(xiàn)被拍攝成斜線(xiàn)導致斜率計算錯誤，遠處的彎道被壓縮導致曲率計算錯誤等等。在這種情況下，直接利用目標引導線(xiàn)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(chē)嚴重偏離引導線(xiàn)。針對此問(wèn)題，本文在分析攝像頭成像模型的基礎上，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，梯形區域ABCD為攝像頭視野范圍，Y軸方向為智能車(chē)前進(jìn)方向。由圖可得圖像坐標系與世界坐標系的坐標轉換關(guān)系為：

　　式中，N為采集圖像的總行數;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v與世界坐標y的關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。圖像行數與其所反映的實(shí)際距離之間是非線(xiàn)性關(guān)系，距離越遠，圖像中兩行間的實(shí)際距離越大，即攝像頭對遠處的路平面進(jìn)行了縱向的壓縮，而且距離越遠，壓縮越嚴重。

　　為了消除這種畸變，令單片機非均勻地采集攝像頭輸出圖像中的行，在距離較遠處采集的行數較密，近處采集的行數較少。這種規則通過(guò)采集行數的非線(xiàn)性彌補了圖像行數與實(shí)際距離的非線(xiàn)性，實(shí)現了等空間間距的均勻采樣，從而保證了智能車(chē)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(wú)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，圖像坐標系與世界坐標系之間的坐標變換公式為：

　　其中d為世界坐標系中兩采樣行的間隔。

　　由于所用單片機的A/D轉換能力有限，且本系統的目的只在于提取出黑線(xiàn)中心，最終方案采集40×60分辨率的圖像。根據攝像頭的參數和公式(3)計算得到本系統非均勻行采集的行數分布如表1所示。

　　圖像處理

　　圖像處理流程

　　該攝像頭的場(chǎng)掃描頻率為50Hz，為了提高智能車(chē)控制的實(shí)時(shí)性，本系統選擇控制周期為20ms，即在一個(gè)圖像場(chǎng)周期內必須完成圖像采集、圖像處理、路徑識別和車(chē)體控制等一系列工作。這就需要合理規劃處理流程，同時(shí)要求各種算法簡(jiǎn)練有效。本系統的程序流程如圖4所示，采集完一行圖像后，利用到下一采集行的空余時(shí)間處理該行數據，提取路徑。待整場(chǎng)圖像采集完畢，利用場(chǎng)消隱的時(shí)間對整場(chǎng)路徑進(jìn)行縱向濾波，判斷路況，并對舵機和電機進(jìn)行控制。