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1、2 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集P r o c e e d i a g so f2 0 0 6C h i n e s eC o n t r o l4 ，dD e c i j i o nC o n f e r e n c e3 6 1一种具有光照不变性的道路识别方法连秀林，程荫杭( 北京交通大学电子信息工程学院，北京1 0 0 0 4 4 )擅要：为提蠢连蓐识烈方法的鲁# 性和亩连直性提出了基干先腻不变性模型曲道蓐识剐方法谖方法通过对道麝圈像进行曩赴震藏小了在道蓐识别同意中光愚原因所造成曲影响实验结果表晴。诫方法对于光照变化尉烈的迸蓐田片均有较好曲识别赦呆、鲁棒性和白适应性关词：光黑
2、不变模型；迫缘植测；遵蓐识别AR o a dR e c o g n i t i o nM e t h o dw i t hI l l u m i n a t i o nI n v a r i a n c eL I A NX i u - l i n ，C H E N G 1 月h a n g( S c h o o lo fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o nE n s n a r i n g B e i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a C o r r e s p o n d e n t ：L I A NX i
3、u l i n ，E m a i ls u n s h i n e 0 9 1 9 1 6 3 c o r n )A h 巾c t tI no r d e rt oi m p r o v et h er o b u s t n e s sa n da d a p t i v e n e s so fr o a dr e c o g n i t i o n ，i tp r o p o s e s n e wm e t h o db a s e do ni l l u m i n a t i o ni n v a r l a n c em o d e l B yt h ep r e t r e a
4、 t m e n to ft h er o a di m a g e t h ei n f l u e n c ec a u s e db yi | l u m i n a t i o ni sm i n i s h e d T b cf i n a le x p e t i m e n t a lr e s u l t sc o n f i r mt h ef i n er o b u s t n e s sa n da d a p t i v e n e s s e s p e c i a l l y t h ei m p r o v e dp e r f o r m a n c et o
5、r e c o g n i z er o a di m a g e sa f f e c t e db yi l l u m i n a t i o ni n v a r i a n c e K e yw o r d s ；I l l u m l n a t i o ui n v a t i a n c em o d e l E d g ed e t e c t i o n ；R o a dr e c o g n i t i o n1 引言近年来，随着人们探索自然的进程不断加快，移动机器人技术逐渐成为人们研究的新热点许多科研机构对于移动机器人的发展做出了自己的贡献0 1 】移动机器人集计算机视
6、觉、红外超声技术、自动控翩、人工智能等多种学科于一体导航系统是移动机器人的重要组成部分，在导航系统中主要包括道路识别和障碍物检测两大部分其中，道路识别部分采用C C D 摄像机和图像采集卡对道路进行视频采集和处理传统的处理方法是对道路视频泷进行处理，通过图像分割、边缘提取和霍夫变换等一系列处理最终确定道路的中线位置然而，采集的图像受光照影响很大对于同一条道路在不同的光照条件下，确定的道路中线却有很大差别本文提出的基于光照不变性模型的道路识别方法，对原有方法进行了改进，该方法利用光照不变性模型 5 3 对图像进行颜色通道归一化，在色彩空同对直方图降维，既在最大程度上保留了图像边缘信息，又减少了因
7、光照变化对道路识别所造成的影响实验结果表明，本文提出的基于光照不变模型的道路识别方法对于光照具有很强的鲁棒性，为在不同的环境下进行道路识别的研究开辟了新思路 2 光照不变性漠型五1 光照不变模型和颜色通道归一化在正交射影的条件下，L 柬光束照射在L a m b e r t i a n 物体表面，经过摄像机系统成像后得到的图像，可表示为 三r P f 一：( 4 j “) l 置( ) F ( A ) g ( ) d 上( 1 )一1J式中：z 为图像的像索点，嘶为光线E i 的归一化空问方向，矿为像素的表面法线。 为光谱频率，E ( ) ( f= 1 ，2 ，工) 为光束的谱功率分布，S 1
8、( ) 为L a m b e r t i a n 表面豹谱功率反射函致，g ( ) 为摄像机系统的颜色感光函效如果口( ) 频带宽度足够窄，可在R G B 的单一频率上，对其采样作近似，即舢( ) 4 ( 丑) d ( 一 ) ，I 一1 。，3 ( 2 )作者简介：连秀林( 1 9 8 3 一) ，女河北南宫人硬士生，从事自主移动机器人税竟导航的研究3 6 22 0 0 6 中国控制与决策学术年会论文集式中 ( = 1 ，3 ) 表示颜色为R G B 的光谱频率因此，由常量钆( ) 得到在像素点? 的图像R G B 三元组厍= S 2 ( ) “( 丸) ，矗= 1 ，3 ，( 3 ) 式中
9、= ( 口j 矿) E 。( ) 很明显，在光照环境变 t 。l化的情况下，即丘一五，母一a ，L 一工，有“一如果表面平滑，则。独立于变量z ，R G B 值矿将发生对角变换，即光照变化前后的i 点处图像R G B值分别为矿= 所，店，店 ，P 。一 硝，一，一 ，其中心，睚，鹰分别为R G B 颜色值，则有P ，； ，一 =r f ，f l00 片，店，心 l0屯r ：0I ( 4 )L00h 7 叫对角距阵元素“对于每个像素z 都相同倾斜平譬”鬟 。磐“滑表面法线n 在新的光线条件下，得到新的图像-与原有光照条件下的图像之间依然存在对角变换定义式( 4 ) 为光照不变性的对角模型忽略表面
10、法线的影响，在实验中发现对于图像分割来说，应用光照不变性的对角模型效果已经非常理想，即使是对于表面不平滑的物体根据上述的对角模型，以厶范数的形式进行R G B 颜色通道归一化可有效地增强图像的光照不变性，具体步骤如下；将图像上各个像索点的R G B 值店( = 1 ，3 ) 分别看作对应R G B 颜色通道的长向量P I ( 一1 ，3 ) 可以看到光照的变化 一 7 ；( n ) P 。，- ( 5 )简单地对应于向量长度的变化因此，分别将3 个向量的每个分量都除以该向量欧氏空间长度0n0t即将该颜色通道向量归一化为单位长度对每帧图像进行颜色通道归一化，可有效消除光照变化的影( d )围l不
11、同光照条件下图像的色彩直方围( f )莲秀嚣苷：一种具有光照不变性的道嬉识剧方涪3 6 3畹22具有光膝不变性的色彩直方里归一化后，图像R G B 值的范国不再是o 2 S 5 如果使用量化器量化R G B 值来确定直方图等级，将丢使整个方莹变得复杂目此，本文栗用琦便舶二缍色彩直方图对像素点z 定义色彩值( r ，窖) 如下；，皇R 但+ G 十曰) 。苫= G ( R + G + 占 ，( 6 )式中：R ，G 和口已经分别归一化为单位长度t 即R 嚣成，馥p lh 、G 墨戎确乳H 8 ；纯，以H 选星、以R 和p 。为式( 1 ) 式( s ) 中的n 暑l ，3 由于b 2 B ( R
12、 + G + B ) ，有b ；1 一r g ，6 成为冗衾色彩值，这样由每一帧像素为的图像的颜色通道可得到N 2 的数组作为两通道的色彩圈像色彩值( r 占) 消除了图像本身所包吉的亮度信息，捕获了重要妁颜色信息这里利用颜色通道归一化后的图像形成= 维色彩直方圆，( r ，g ) 值的范围在D 1 之间。并且r + g 】下面是两帧不局光照条件下的图像，归一化前后色彩直方留的变化说明了颜色通道归一化步骤对于弥补光照变化的重要性图1 ( a ) 和图1 ( b ) 是两帧内容相同但光照条件不同的道路图像图1 ( c ) 和围1 ( d ) 分另是图1 ( a )和圈l ( b ) 没有进行归一
13、化的色彩尊方图可以看到两喜方图之同有一定的平移变化两圈1 0 ) 乖囝】C ，) 壬 剃是冒1 “) 和图】( b ) 进行颜色通道归一化后的乜彩直方图，已经基本捎除丁平穆变化因此，颜色通道归一化是一种简单、有效的颜色霞量让臻处理方法建# 即捷是在光照变让的情况下，和J 用色彩商方图进行图像分割也能取得理想的效果3 实验结果分析3 1 系统框架宴验中，应用1 3 英寸的C C D 摄像机和大恒公司D H C G 3 0 0 图像采集卡采集图像，采泉卡采用2 5 帧s 的P A L 制式采枭，实验道路图像是在不同光照情况下从同一角度对同一条道路进行采集得到的，图像分辨率为3 0 0 X 4 0
14、0 。应用图像栗集卡提供曲A P I ，在V i s u a lC 十+ 6 0 环境下按照如图2 所示的固，不同光照条件下两种万法对比缝泉围2 道路 f 剐模块结构2 0 0 6 中国控制与头策学术年会论文集道路识别模块进行编程通常应用颜色转换模型将彩色道路转换成灰度图像处理，而光照不变预处理的过程是对彩色图像的3 个颜色通道进行归一化的过程在将彩色图像转换成灰度图像的过程中已经降低了光照变化对于彩色图像的影响因此不同光照情况下的彩色图像转换的灰度图像具有很强的相似性3 + 2 结果对比为验证本文方法的有效性，设计两个实验实验l ：分析在光照变化情况下，采用传统的道路识别方法“1 进行道路识
15、别的结果 实验2 ：分析由本文方法进行道路识别的结果图3 ( a ) 和图3 ( b ) 分别是在明暗两种情况下对同一条道路采集的视频帧，图3 ( c ) 和图3 ( d ) 是实验一结果图3 ( e ) 和图3 ( f ) 是实验二的结果通过对比可以发现图3 ( c ) 中下部本来比较阻显的道路边缘因为亮度变暗在图3 ( d ) 中下部边缘部分出现了部分不连续，而在经过光照不变预处理后，图3 ( e ) 和图3 ( f )中下部边缘部分都很清晰，且没有出现不连续的现象通过实验l 和试验2 的对比证实了本文方法的有效性 4 结论本文提出了一种具有光照不变性的道路识别新方法实验结果表明经过光照不变处理后，光照变化对于道路识别的影响将会降低虽然加人光照不变处理后，处理每帧图像的时间有所增长，但是处理的( 上接第3 5 6 丙)( 2 赵曜内模控制发展综述 J 詹怎与芷蒯，2 0 0 0 ，2 9 ( 6 ) ；5 2 6 5 3 0 ( Z h a oY AS u r v e yo fD e v e l o p m e n to fI n t e r n a | M o d e lC o n t r o l J I n f a r m a t i a n d C o n t r o l ，2 0 0 0 ，2 9 ( 6 ) ：5 2 6 5 3 0
