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基于嵌入式GPU的特征畸变单目视觉定位系统的研究

陈泽鹏 李文湧 劳子健 陈羽 李佼洋 王嘉辉 郑民

陈泽鹏, 李文湧, 劳子健, 陈羽, 李佼洋, 王嘉辉, 郑民. 基于嵌入式GPU的特征畸变单目视觉定位系统的研究[J]. 应用光学, 2023, 44(3): 469-475. doi: 10.5768/JAO202344.0301001
引用本文: 陈泽鹏, 李文湧, 劳子健, 陈羽, 李佼洋, 王嘉辉, 郑民. 基于嵌入式GPU的特征畸变单目视觉定位系统的研究[J]. 应用光学, 2023, 44(3): 469-475. doi: 10.5768/JAO202344.0301001
CHEN Zepeng, LI Wenyong, LAO Zijian, CHEN Yu, LI Jiaoyang, WANG Jiahui, ZHENG Min. Monocular visual positioning system with characteristic distortion based on embedded GPU[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(3): 469-475. doi: 10.5768/JAO202344.0301001
Citation: CHEN Zepeng, LI Wenyong, LAO Zijian, CHEN Yu, LI Jiaoyang, WANG Jiahui, ZHENG Min. Monocular visual positioning system with characteristic distortion based on embedded GPU[J]. Journal of Applied Optics, 2023, 44(3): 469-475. doi: 10.5768/JAO202344.0301001

基于嵌入式GPU的特征畸变单目视觉定位系统的研究

doi: 10.5768/JAO202344.0301001
基金项目: 广东省重点领域研发计划项目“虚拟现实视觉健康的关键评价技术及标准”(2019B010152001);湛江幼儿师范专科学校科学研究重点项目“裸眼3D显示技术应用的研究”(ZJYZZD201903);广东省普通高校特色创新项目(自然科学)“裸眼3D技术在青少年视力筛查中的应用”(2020KTSCX353);2020年度湛江市非支助科技攻关计划项目“裸眼3D技术在湛江市农村青少年视力筛查与保健的应用”(2020B01205);广东省高等教育教学改革项目“科产教深度融合的‘3+3’创客人才培养模式的探索”(粤教高函〔2020〕20号)
详细信息
    作者简介:

    陈泽鹏(1997—),男,硕士研究生,主要从事光学成像、机器学习研究。E-mail:chenzp8@mail.sysu.edu.cn

    通讯作者:

    郑民(1962—),男,副教授,主要从事光学工程、图像分析研究。E-mail:zjzhengmin@126.com

  • 中图分类号: TN26;P228

Monocular visual positioning system with characteristic distortion based on embedded GPU

  • 摘要: 视觉定位和导航在物流仓储等领域具有广泛的应用前景,传统单目视觉难以实现准确的定位,而双目视觉虽能完成精确的定位和导航,但硬件成本高且影响车体尺寸。提出一种基于特征物形变的单目定位技术,利用单个相机对地面铺设的特征物(带编码的圆环图案)的畸变进行记录,以嵌入式图像处理单元(graphics processing unit,GPU)进行分析,实现端到端的单目视觉定位。其中嵌入式GPU对相机采集的图像通过深度学习目标检测算法识别特征圆环的编码图案,经传统图像处理获取图案物像的形变信息,将该形变信息输入至经极端梯度提升算法(extreme gradient boosting,XGBoost)训练好的回归模型,预测出相机相对图案中心的坐标,同时结合该特征圆环的绝对坐标,最终解算出相机的室内绝对坐标。实验结果表明:在2 m×2 m 的范围内定位平均误差仅为0.55 cm,优于文献报道1个数量级,且算法在电脑端和在嵌入式GPU上的定位解算帧率分别为20帧和4帧,具有实时性。
  • 图  1  圆环编码图案及解码示意图(方向“1234”指相机所处位置)

    Fig.  1  Ring encoded pattern and schematic diagram of decoding (number 1 to 4 refers to position of camera)

    图  2  解码示意图

    Fig.  2  Schematic diagram of decoding

    图  3  NVIDIA Jetson TX2+载板

    Fig.  3  NVIDIA Jetson TX2 and its loading board

    图  4  系统框图

    Fig.  4  Flow chart of system

    图  5  系统搭设

    Fig.  5  System construction

    图  6  系统运行效果图(position/cm:相机绝对坐标)

    Fig.  6  Effect diagram of system operation (position/cm: absolute coordinates of camera)

    图  7  绝对误差热度分布图

    Fig.  7  Heat distribution diagram of absolute errors

    表  1  码型与相机朝向映射表

    Table  1  Code type and camera orientation mapping

    圆环数二进制码中心绝对坐标/cm相机朝向
    2010(100,100)
    0101(100,100)
    101(100,100)西
    1010(100,100)
    301010(200,200)
    010101(200,200)
    10101(200,200)西
    101010(200,200)
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    表  2  嵌入式设备参数

    Table  2  Embedded device parameters

    系统环境软件环境硬件环境
    Ubuntu 16.04Python 3.5.2NVIDIA Jetson TX2模块*
    OpenCV 3.4.4瑞泰RTSO-9001载板
    CUDA-9.0罗技C270摄像机,300万像素
    *运存与显存共用,容量为8 G,外存容量30 G。
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    表  3  实验用电脑参数

    Table  3  Experimental host parameters

    系统环境硬件环境
    Ubuntu 18.04GPU:Nvidia GTX1080Ti,10 G显存
    CPU:Intel(R) Core(TM) i7-7700 CPU @ 3.60 GHz
    32 G RAM内存
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    表  4  各模块平均运行时间

    Table  4  Average running time of each module ms

    模块电脑主机TX2
    YOLO35280
    椭圆拟合16
    预测坐标815
    解码19
    合计45310
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    表  5  测量误差

    Table  5  Measuring errors cm

    参数平均误差标准差误差最大值
    坐标x0.310.281.57
    坐标y0.520.512.91
    距离$ \left(\sqrt{x^{2}+y^{2}}\right) $0.550.533.31
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-01
  • 修回日期:  2023-03-22
  • 网络出版日期:  2023-04-26
  • 刊出日期:  2023-05-15

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