桥式起重机运行环境三维建图偏振光降噪研究

周奇才 赵科渊 熊肖磊，2 赵炯

1同济大学机械与能源工程学院 上海 201804 2同济大学浙江学院 嘉兴 314051

0 引言

桥式起重机实现智能化无人运行需要具备对运行环境进行三维建图的能力，以实现避障的效果。在机器人技术中，建立用于导航避障的三维稠密地图所用的设备通常有双目相机、结构光相机、激光雷达等。

结构光相机的缺点是测量距离近，激光雷达的缺点是分辨率较低，本文选用测量距离远、分辨率高的双目相机作为三维建图的传感器，但双目相机对光照条件要求高。在光照条件较差的情况下，使用双目相机得到的三维地图精度较差，甚至不能进行建图工作。

在以往的工作中，出现了由于被重建物体表面粗糙度较低，反射了一部分环境光的情况。在双目相机采集到的图像中，进行立体匹配时因耀斑在左目图像和右目图像中的位置不同产生了误匹配，进而降低了重建产生的三维地图的精度，反光造成的误匹配如图1所示，蓝圈内为反光造成的误匹配。本文为之前工作的进一步研究，使用偏振滤镜对物体表面的反光耀斑进行过滤。关于双目视觉建图的详细步骤可参阅文献[1]，这里不再重复叙述。本文的主要工作是：1）分析了物体表面耀斑影响建图精度的原因；2）在常见滤镜中选取偏振滤镜对反光耀斑进行过滤；3）进行对比实验，验证偏振滤镜对桥式起重机三维重建结果精度的有效性。

图1 反光造成的误匹配

1 相关研究

双目视觉最初用于机器人的导航、定位等工作。杨娜[2]使用双目视觉解决了室内服务机器人导航问题；苏东[3]将双目视觉应用于小型无人飞行器的导航与避障；张学贺[4]将双目视觉应用于六足机器人环境地图构建。双目相机三维重建被广泛应用于工业、农业、林业、畜牧业等领域。刘同海[5]使用双目视觉用于猪体尺寸测量和三维重构。樊仲谋等[6]使用双目相机对森林样地进行测量。农业上，双目视觉多用于果实的采摘。国内专家学者关于荔枝、葡萄、番茄等农作物的采摘都使用双目视觉开展了研究[7-9]。

双目视觉在起重机方面的应用起步较晚，但也有相关研究人员开展了工作。刘涛等[10]对于使用双目相机解决塔机防碰撞控制系统开展了研究；令狐乾锦[11]使用双目相机针对自动化岸边集装箱起重机装卸作业时船槽定位的问题提出了技术方法；程文明等[12，13]则使用双目相机对于集装箱起重机的装卸系统开展了丰富的研究；谷梦华[14]使用双目相机建立了关于塔式起重机的安全监控系统；

然而，使用双目视觉所获得三维结果总是存在缺陷，如孔洞、耀斑和其他形式的噪声。关于使用偏振技术解决高反光的三维重建问题，平茜茜等[15]开展了探索，其研究成果为本文提供了思路。

2 耀光消减

光波是一种横波。各方向振动分量相同的自然光在经过物体表面反射后会变成部分偏振光[16]。同种条件下更光滑的表面更容易产生耀光，形成反光耀斑。消减反光耀斑对三维重建结果影响的方法有前期处理和后期处理。前期处理为在画面保存为图像文件前对画面进行减少曝光时间、使用各种滤镜等操作。后期处理是对图像文件的亮度、对比度、灰度等参数值进行修改。

用于三维重建的理想的图像使图像细节都能得到很好的表现，图像的暗部画质也能得到保障，减少图像反光区域。有2种方法可以达到这样的效果。

1）采用分区曝光然后后期多帧合成的方式 在前期拍摄中，针对不同亮度的区域分别进行拍摄，然后通过软件进行合成。在亮度差异较大的场景里，以拍摄清楚高亮度区域的细节为目标设定参数，亮度较低的区域可以在后期提高亮度。设定一个较小的曝光时间，后期调整曝光、高光、阴影等值，提高曝光不充分的暗部的亮度。这种方法虽可看到细节，但整体上画质非常差。暗部细节充满杂色和噪点，这种操作的结果对于起重机运行环境三维感知过程中的立体匹配不理想，方法不适用于自动采集图像并生成三维场景的情况。

2）前期拍摄时一次性完成，使用滤镜帮助平衡光比 在常用的滤镜中除与能消减耀光无关的滤镜外还有中灰滤镜和偏振滤镜。

中灰滤镜主要目的是为了防止拍摄曝光过度。使用中灰滤镜可以减少进光量，相当于变相减少了曝光时间。因此使用中灰滤镜会减低整张图像的亮度耀光得到了消减，但也降低了耀光以外的其他区域的亮度，会丢失一些暗部的细节。

偏振滤镜常用来消除或减弱物体表面的耀光，从而消除或减轻光斑。

根据中灰滤镜和偏振滤镜的特点，本文选用偏振滤镜来实现反光耀斑的消除。

3 实验

本文使用图2所示的实验台对所提出的方法进行验证，分别在不装偏振滤镜和装有偏振滤镜的情况下对障碍物进行三维建图，如图3所示。

图2 起重机视觉实验台

图3 双目相机

实验采集到的左目图像如图4所示。可以看到柜子、圆凳、石膏像3个障碍物表面反光耀斑都有不同程度的降低。圆凳表面最光亮，经过使用偏振滤镜后得到的图像其表面成像效果已和柜子和石膏像一致，均没有明显耀斑。

图4 左目图像

由双目图像经三维重建方法获得的点云图像如图5所示。可以看到，未装偏振滤镜获得的点云出现了较多的误匹配，反光耀斑最严重的圆凳三维建图结果最差。装有偏振滤镜的图像获得的三维点云重建结果较好。本实验由于只采集单帧双目图像，故方柜的4个侧面没有重建结果。

图5 点云结果

4 结论

本文提出了通过偏振滤镜对反光耀斑进行消除的方法，并根据所提出的方法进行了实验。实验结果表明：偏振滤镜和可以有效削弱反光耀斑，进而减少误匹配情况。偏振滤镜尤其对于视线夹角30°～50°之间的反光耀斑消除效果最好。该方法可提高三维建图结果的准确性。