一種適用于強輻射場的單目視覺系統

王 鐵

（中國原子能科學研究院，中國 北京 100000）

0 引言

視覺技術可以分為單目、雙目和結構光等形式。雙目體視的圖像獲取是由不同位置的兩臺攝像機拍攝同一幅場景獲取立體圖像，通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標值，再經過特征點提取、立體匹配和三維重建得到目標物位姿[1]。結構光三維視覺是基于光學三角法原理，光學投射器將一定模式的結構光投影于物體表面，在表面上形成由被測物體表面形狀所調制的光柵光條三維圖像，該三維圖像由處于另一位置的攝像機探測，從而獲得光柵光條的二維圖像，當光學投射器與攝像機之間的相對位置一定時，由畸變的光條圖像坐標便可以重現物體表面形廓，即構成了三維視覺[2]。單目視覺一般需要利用物體模型上的已知結構特征，常用的特征包括點、直線、平面、二次曲線等，其中研究最多的是應用點特征進行位姿解算。Fischler M A等人[3]提出著名的PnP（Persp ective-n-Point）問題，即只利用一幅圖像，通過n個控制點及其在圖像上的對應關系進行位姿視覺解算，該問題得到廣泛關注和研究，并獲得大量應用，如航天器對接等[4]。

強輻射場環境大多空間狹窄，在事故場景下機器人面對未知環境，需視覺引導系統實時快速反饋目標信息，而且強γ輻射會對輻照敏感電子元器件造成損傷，導致視覺引導系統失效。雙目視覺引導系統需要兩個攝像頭配合，體積較大，后端控制電路復雜，輻照敏感元件較多，容易受輻照失效，而且其運算量大，視覺引導效率低，不適合在強輻射場下使用；結構光視覺引導系統是光學投射器與攝像頭配合工作，雖然精度較高，但其控制系統更為復雜，輻照敏感元件更多，更容易受輻照失效，也不適合在強輻射場下使用；單目視覺引導系統相比其他兩種視覺引導系統，具有結構簡單，更容易做抗輻射加固設計的特點，更適合在強輻射場中工作。

因為憑借一個攝像頭單次獲得的一幀圖像無法計算目標的深度信息，故基于單攝像機的測量系統需要增加距離傳感器，或借助不同位置的多幀圖像獲得深度信息，其中，Henry P[5]就是利用激光測距儀，配合單目攝像機實現了三維測量，黃鳳山等[6]以不具測距功能的激光束代替激光測距儀，提出了一種基于“共線三點透視問題（P3CP）”的目標定位方法，基于該方法的系統具有很好的便攜性與靈活性。Aroca R V等[7]提出了一種激光筆與單目結合的測距方法，該方法以極為廉價的硬件設備實現了距離測量，但是該方法無法獲取目標的三維坐標信息。

本文設計了一種三條激光束與單目結合的三維定位測量方法，此目標測量方法所需的硬件成本極其低廉，可以為定位系統構建節省大量成本。本方法無需在多個位置測量，使得手眼可以在狹窄的空間中工作，同時本方法采用單目視覺，更適合在強輻射環境。

1 攝像頭耐輻照性能研究

攝像頭是單目視覺系統的核心硬件，其中圖像傳感器是攝像頭的核心部件，圖像傳感器的耐輻照性能決定了整個系統的耐輻照性能。常見的圖像傳感器有兩種，分別為CMOS圖像傳感器和電荷耦合器件（CCD）。CMOS圖像傳感器是一種硅固態成像器件，相比于電荷耦合器件（CCD），它具有抗空間輻射能力強、動態范圍寬、功耗低、接口簡單，集成度高等特點。由于其耐輻照性能較強，本研究的單目攝像頭采用CMOS圖像傳感器。

CMOS圖像傳感器在經過γ射線輻射后產生了電離損傷，并在顯示器畫面中隨機產生眾多白色的不規則形狀噪點。噪點隨著劑量率的增大而增多，并且圖像灰度值也隨之增大，它們是呈非線性存在。若CMOS圖像傳感器沒有進行任何抗輻射加固時，將其直接曝露與γ射線輻射環境下工作，輸出圖像會在短時間內產生噪點，輻射劑量率越高則現象越快、越明顯，甚至在某個時刻開始出現壞點直至傳感器被徹底破壞。當輸出圖像中的噪點布滿整個屏幕時CMOS圖像傳感器作為設備監控器來說已經沒有實際工作意義。

通過對以往研究分析可知，不同CMOS生產工藝、不同CMOS像元結構等方面都會影響CMOS抗輻射性能。同時不同攝像機商用CMOS集成和PCB板載的元器件不同也會影響攝像機整體抗輻射性能。目前針對CMOS總劑量的研究多是針對抗輻射加固芯片設計后的CMOS，而此類CMOS往往造價高昂，且產量較少，不利于在核工業領域的推廣使用。因此開展攝像機商用CMOS抗輻射篩選是十分有必要的。本研究通過對商用CMOS攝像機開展抗輻射篩選，篩選出抗輻射性能較強并滿足視覺引導需求的攝像頭。

1.1 攝像頭耐輻照性能測試

本實驗選擇索尼、鎂光、豪威這三種較為常用CMOS圖像傳感器進行，三種傳感器尺寸近似相等，其中，索尼、鎂光兩種為國外品牌，豪威為國產品牌。實驗時將攝像頭固定后放入輻射場中，其視頻信息經加長線纜傳入鈷源房外計算機中，人員在輻射場外觀察并存儲視頻錄像。實驗在100Gy/h劑量率下進行，當圖像不可視情況下，視其完全損壞。實驗結果如表1所示。

由實驗結果可知，六款圖像傳感器中，5號圖像傳感器耐輻照性能可以達到1500Gy。由于實驗數據量較少，為檢驗5號圖像傳感器耐輻照數據是否存在偶然性，進一步做了補充驗證實驗。

補充實驗場所為中國原子能科學研究院內原子高科鈷源房，實驗時，將編號為5的CMOS圖像傳感器置于劑量率200Gy/h位置進行輻照。輻照5h后，三個5號攝像頭均未損壞，且可視程度良好。

兩次實驗結果證明，5號攝像頭可耐總劑量超過1000Gy，可以用于大部分強輻射場中。

2 降噪技術研究

強輻射場下，通過攝像頭所獲得的視頻圖像受到輻射影響不可避免，輻射劑量越高，圖像受影響程度越大，圖1為在200Gy/h劑量率的輻射場中，攝像頭提供的圖像。從圖像中可以看出，在強輻射場中，圖像質量可能對視覺引導準確度造成重大影響，因此本章將對圖像降噪技術進行研究，提高視覺引導精度。

表1 攝像頭耐輻照實驗結果

圖1 噪聲圖像

輻射環境下噪聲包括暗電流噪聲、脈沖噪聲和高斯噪聲。暗電流噪聲是指在沒有畫面輸入即沒有任何光線的情況下，由于暗電流的存在使得系統輸出的畫面仍有一些空間分布不均勻的噪聲；脈沖噪聲又稱椒鹽噪聲是由于單位時間內光敏區產生的電子數量發生波動而引起的，因其持續時間短、幅度大、很像尖峰脈沖而得名；熱噪聲是由自由電子的無規則熱運動所形成的，這種噪聲多為無規則的隨機噪聲，分布在每個像素點上，頻譜寬，幅度不等，其效果是使得圖像邊緣模糊，對比度降低，層次感減弱。由于這種噪聲分布符合高斯分布，所以稱為高斯噪聲。

圖像去噪的一種常用操作是對圖像進行濾波。在處理圖像之前，在成像時或者前期其他操作中引入了噪聲，例如提取候選區域時。為了提高圖像的質量，先對其中的噪聲進行濾波，同時保證有效信息如邊緣不被破壞。

圖2 多幀合成效果圖

濾波去噪方法主要包括空間域、變換域和時域幾種，空間域去噪方法是直接在原空域中對圖像進行去噪，即直接處理原圖像的灰度值。變換域去噪則是將圖像進行某種變換操作，將空域信號轉化成變換域信號，再處理變換域中的相應系數以去除噪聲，最后逆變換回到原空間域中即得到去噪后的圖像。時域去噪則是利用多幀圖像的時間相關性進行降噪。本研究采用基于時域去噪的多幀合成方法對圖像進行去噪處理。

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此方法常用于天文觀測領域，本課題將其借鑒并應用于強輻射場中圖像處理中，實驗使用靜止狀態參照物，連續拍攝30幀圖像進行合成，實驗結果較好，基本消除圖像噪聲，如圖2所示。

3 建立單目視覺系統

本文設計一套在強輻射下基于激光的單目視覺引導系統，該系統硬件由載CMOS圖像傳感器的攝像頭、三組半導體激光器、電源、攝像頭和激光器控制電路等幾部分組成，系統結構簡圖如圖3所示。其中，攝像頭及其控制電路和激光器位于系統前端，直接面對輻射照射，電源和激光器控制電路位于機器人本體中，受機器人屏蔽設計保護。

圖3 系統結構簡圖

圖4 系統前端架構實物

本研究對系統前端硬件架構進行了設計，將三個激光器呈等腰三角形分布于攝像頭周圍。為簡化位姿解算算法，提高視覺定位速度，各激光器與攝像頭距離近似相等，同時根據測距算法需要，保證激光器所發射激光射線與攝像頭主光軸平行，將激光器與攝像頭保持平行狀態。系統前端架構實物如圖4所示。

本研究需對目標平面位姿進行測算，根據相機成像模型，建立一套位姿測算算法，利用激光器在目標平面構造三個特征點，通過激光點與攝像頭中心點距離的變化判斷目標平面位姿。單個攝像頭只能提供特征激光點二維信息，因此需要計算激光點與攝像機光心為原點的攝像機坐標系x-y平面之間的垂直距離，得到激光點z坐標，距離計算原理如圖5所示。

該測距方法必須滿足兩個基本條件：（1）激光束與單目光軸平行。（2）工作環境：激光束在目標物體上的落點在環境中是可以通過亮度或顏色辨識的。第一個條件可通過人為設置滿足；但第二個條件限制了該系統的工作環境，導致該測距方法不適于超長距離測距，也不適合在光線極強的環境下進行測量。

h/H=f/L

其中，H為激光點與圖像中心點之間的距離，h為圖像上激光點中心點與圖像中心點的距離，f為標定得到的相機焦距，L為所求距離。單位均為mm。

激光點與圖像中心點之間的距離由實際測量得到，圖像上激光點中心點與圖像中心點的距離，是相機標定得到圖像中心點坐標與特征提取到的激光點中心點坐標之差乘像元尺寸得到，相機焦距也由相機標定得到。

通過以上方法得到目標平面上三個激光點三維坐標，進而確定目標平面位姿。

4 測距算法驗證實驗

圖5 距離計算原理圖

本研究設計實驗驗證測距算法準確性。實驗為驗證實驗，在攝像頭和激光器與目標平面垂直情況下進行，分別在從100 mm到700mm共13個距離下進行實驗驗證。實驗參數為圖像中心點坐標（376，255）、焦距與像元尺寸f/dx比值519.6、激光點中心點與圖像中心點距離分別為激光點1為44.50mm、激光點2為43.70mm，激光點3為44.12mm，實驗結果如表2所示。

通過實驗數據可以看出，在遠距離時，測距誤差較大，且誤差波動較大，但在近距離時，測距誤差較小，誤差波動較小。在150mm內，誤差在3mm以內。

5 總結

本文對單目視覺系統在強輻射場中的適用性進行了詳細闡述，并對系統關鍵硬件攝像機進行耐輻照測試，篩選出一款抗輻照性能較好的攝像頭；通過對降噪技術研究，采用多幀合成方式消除輻射引起的噪聲點；通過建立測距算法，獲取激光點深度信息，完成對目標的位姿測量，且測距結果表明，在近距離內，其誤差較小。

表2 測距驗證實驗結果