用FPGA實(shí)現低成本實(shí)時(shí)深度感知

引言

　　對于自主機器人導航和其它機器視覺(jué)應用來(lái)說(shuō)，實(shí)時(shí)深度感知是很關(guān)鍵的。目前通過(guò)立體圖像來(lái)計算深度的算法計算量很大，例如差異測繪，要占用CPU大量的時(shí)間，或者需要用昂貴的器件進(jìn)行實(shí)時(shí)操作。

　　針對立體攝像的深度感知，FPGA解決方案能使處理器的時(shí)間得到緩解，減少或除去器件的成本，例如MPU、DSP、激光器和昂貴的鏡頭。通過(guò)提供給機器人其環(huán)境中 的差異測繪，FPGA使機器人中的CPU專(zhuān)注于重要的高層任務(wù)，例如建圖和定位。

差異測繪

　　加深度感知到機器人的常用技術(shù)是用兩個(gè)水平放置的獨立攝像機，互相之間平行分開(kāi)放置。用差異測繪算法對兩個(gè)攝像機進(jìn)行比較，見(jiàn)圖1。

圖1  差異測繪計算

　　簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，差異是指右面和左面圖像之間的差別。物體越接近攝像機，兩個(gè)圖像之間的差異越大。

　　你可以自己來(lái)做一個(gè)實(shí)驗，對著(zhù)你的臉水平地向上握住一支筆，不停地眨你的左眼和右眼。移動(dòng)的筆越接近你的臉，你眨眼時(shí)覺(jué)得移動(dòng)越多。做更多的移動(dòng)時(shí)，物體越接近你的眼睛，圖像中的差異越大。

　　如圖1所示，從兩個(gè)圖像之間物體的位置算出差異：d=x1-x2。為了計算點(diǎn)M的實(shí)際坐標，可通過(guò)左面和右面的攝像機來(lái)進(jìn)行計算：
　　X=Bx1/d
　　Y=By1/d
　　Z=fB/d
　　
　　相關(guān)的問(wèn)題

　　計算差異測繪依賴(lài)于相關(guān)的圖像，以及左面圖像和右面圖像的匹配性質(zhì)。逐點(diǎn)計算相關(guān)的像素的計算量是很大的，因此用其它算法來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)問(wèn)題。有一種方法稱(chēng)為圖像點(diǎn)相關(guān)，仔細檢查左面圖像的像素塊，稱(chēng)為點(diǎn)，然后在右面圖像中尋找相同的點(diǎn)。其它的方法包括邊沿檢測和匹配。一旦定位了相應的圖像，就可進(jìn)行差異計算。

失真與曝光問(wèn)題

　　如果使用高質(zhì)量的攝像機，可以忽略鏡頭失真。為了省錢(qián)，使用便宜的CMOS 或者CCD攝像機，或者低成本廣角鏡頭。這些較低質(zhì)量的產(chǎn)品會(huì )引入失真或曝光問(wèn)題。

　　鏡頭會(huì )引起比例和定位失真，例如白點(diǎn)效應，靠近圖像外面的物體出現彎曲狀，使用眾所周知的圖像處理算法可以進(jìn)行補償。針對移動(dòng)或者其它幾何算法，糾正白點(diǎn)的一種方法是使用坐標的查找表重測圖像中的像素。

　　在非常明亮和非常暗的環(huán)境中，其它的算法需要可靠地捕獲圖像中的詳細特征。例如，針對不同的區域確定最佳的曝光設置，使用區域的合成圖像可以補償缺少背景亮度。

用含有嵌入式DSP的FPGA的解決方案

　　本文中闡述的深度感知算法計算復雜，以實(shí)時(shí)的視頻速率來(lái)實(shí)現。系統設計者必須評估CPU/軟件、ASIC, ASSP(例如DSP處理器)和FPGA解決方案，確定哪個(gè)是最佳的，以及FPGA價(jià)格。    
圖2展示了提出的FPGA協(xié)處理器解決方案，解決失真、曝光、通信和針對深度感知差異測繪算法。這個(gè)方法使CPU騰出時(shí)間，允許DSP處理器處理更多的串行任務(wù)。

圖2   FPGA支持計算量大的差異測繪算法