現實場景深度采集系統設計

吳一超，王 儲（中國電子科技集團公司光電研究院，天津，300000）

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現實場景深度采集系統設計

吳一超，王 儲
（中國電子科技集團公司光電研究院，天津，300000）

摘要：近年來現實場景深度在各種場景下都得到了廣泛的應用：在家庭中有家用智能清掃機器人、家庭服務機器人；在工廠中有應用于物流的自動導引運輸車（WMR）；在野外考察中有探測機器人；在戰場上中有偵察、排雷機器人。這些應用的場景大多非常復雜，因此建立準確的場景模型對于未知環境中的工作非常重要。

關鍵詞：現實場景；深度信息；場景重建

0　引言

現實場景深度采集系統的主要目的就是為了通過移動機器人在未知現實場景中的采集獲得場景漫游的過程中采集場景中各個位置的深度信息，并根據不同位置的深度信息構建現實場景的三維模型，以完成未知環境的探測并為在未知現實場景中導航打下基礎。

1　機理模型

1.1場景深度掃描系統構成

場景深度掃描子系統由一對背向的激光掃描儀組成。它能夠采集兩側的立面上的深度信息。

激光掃描儀是利用激光對目標的距離進行準確測定的儀器。它測距的基本原理是通過計算激光到待測目標的往返傳輸時間（time-of-flight）來測定到目標點的距離。測距所依據的公式為：（1），其中，為光在空氣中的傳播速度，為光信號往返所經過的時間，為待測目標的距離。

1.2深度場景掃描系統機理模型

在每次測量中，激光掃描儀一般通過掃描面上不同角度的障礙物的外輪廓打出一系列激光點，并將這一系列激光點按照掃描順序輸出以激光掃描儀的中心為原點O，正下方為軸正方向，正左方為y軸正方向，正前方為z軸建立直角坐標系，我們稱這個坐標系為激光掃描儀坐標系。場景深度切片中的每個激光點以zOy平面上極坐標的形式表達是很容易的。不妨設場景深度切片中的某點的極坐標為，齊次坐標為。依公式（2.2）可將極坐標轉化為齊次坐標。

這樣，我們就可以定義場景深度切片矩陣為：

1.3深度場景重建機理模型

為了推倒場景深度掃描系統下的場景深度切片矩陣我們需要討論一下激光掃描儀坐標系與采集系統坐標系的位置關系。設沿著x軸、y軸、z軸的旋轉角度的齊次變換矩陣分別為：

設沿著向量平移的齊次變換矩陣為：

2　場景深度掃描系統的實現

場景深度掃描子系統由一對背向的激光掃描儀組成，在現實場景建模采集系統中的激光測距設備采用的是采用德國SICK公司的LMS200激光掃描儀。

得到深度掃描切片后，通過3.3節介紹的深度場景重建機理模型，我們可以得到這幾組場景切片間的位置關系，進而可以將其繪制在空間中。通過場景深度掃描子系統的掃瞄實驗我們可以看到，場景深度掃描子系統的掃描結果能夠真實地反映現實場景，這為下面的現實場景建模打下了良好的基礎。

3　結論

近年來，隨著場景重建技術的發展，在未知現實場景的場景重建技術得到越來越廣泛的應用，建立未知現實場景的準確模型的需求也越來越強烈。本文針對這種需求設計了一種現實場景的深度采集系統，并介紹了景深度采集系統的系統構成、深度場景掃描及重建的機理模型，最后通過場景掃描及重建試驗驗證了該設計方案的可行性。

參考文獻

［1］周盛榮.智能家庭清掃機器人的研究［D］， 哈爾濱工業大學，2006： 1-2.

［2］莫海軍， 吳少煒.排爆機器人及相關技術［J］，機器人技術與應用， 2005， 5（4）： 52-54.

［3］劉睿，王鋒，張法全.基于序列圖像的糧堆三維重建技術研究［J］，河南工業大學學報（自然科學版），2009， 30（3）：43-44.

［4］黃明登.基于激光雷達的移動機器人室內環境探測技術研究［D］， 湖南中南大學， 2007： 10-14.

Design of real scene depth acquisition system

Wu Yichao，Wang Chu

（Institute of optoelectronics， China Electronic Technology Group Corporation，Tianjin，300000）

Abstract：In recent years，the depth of real scenes in a variety of scenarios have been widely used，in the family has intelligent domestic cleaning robot，home service robot；in the factory has application in the logistics of the automated guided vehicles（WMR）；in the study in the field of detection robot；in the battlefield in a reconnaissance，demining robot.Most of these applications are very complex，so it is very important to establish an accurate model of the scene for the unknown environment.

Keywords：realistic scene；depth information；scene reconstruction

作者簡介

吳一超（1985-）， 男， 遼寧人，畢業于東北大學，研究方向為系統硬件設計；

王儲（1987-）， 女， 黑龍江人，畢業于山東科技大學，研究方向為系統仿真.