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魚眼相機(jī)在自動駕駛環(huán)境感知的應(yīng)用和挑戰(zhàn)
摘要 —— 環(huán)視魚眼相機(jī)常用于自動駕駛中的近場感知。車輛四周的四個魚眼相機(jī)足以覆蓋車輛周邊 360 度范圍，捕捉整個近場區(qū)域。一些主要應(yīng)用場景包括自動泊車、交通擁堵輔助以及城市駕駛。由于汽車感知領(lǐng)域的重點在于遠(yuǎn)場感知，所以針對近場感知任務(wù)的數(shù)據(jù)集有限，相關(guān)研究工作也很少。與遠(yuǎn)場不同，由于環(huán)視感知對物體檢測精度要求達(dá)到 10 厘米且物體存在部分可見性問題，它帶來了額外的挑戰(zhàn)。由于魚眼相機(jī)存在較大的徑向畸變，標(biāo)準(zhǔn)算法無法輕易擴(kuò)展應(yīng)用于環(huán)視場景。因此，我們有動力為汽車魚眼相機(jī)感知領(lǐng)域的研究人員和從業(yè)者提供一份完備的參考資料。首先，我們對常用的魚眼相機(jī)模型進(jìn)行了統(tǒng)一的分類處理。其次，我們討論了各類感知任務(wù)以及現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)。最后，我們探討了面臨的挑戰(zhàn)及未來發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 —— 自動駕駛、全向相機(jī)、魚眼相機(jī)、環(huán)視感知、鳥瞰感知、多任務(wù)學(xué)習(xí)
一、引言環(huán)視系統(tǒng)利用帶有重疊區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)來覆蓋車輛周圍的近場區(qū)域。圖 1 展示了典型環(huán)視系統(tǒng)的四個視圖，以及典型泊車應(yīng)用場景示例。在這種近場感知中會使用超過 180 度的廣角視圖。任何感知算法都必須考慮此類相機(jī)系統(tǒng)固有的明顯魚眼畸變問題。這是一項重大挑戰(zhàn)，因為計算機(jī)視覺領(lǐng)域的大部分工作都側(cè)重于徑向畸變小的窄視場相機(jī)。不過，隨著此類相機(jī)系統(tǒng)得到更廣泛的部署，該領(lǐng)域已經(jīng)有了相關(guān)研究工作。本文旨在為讀者概述環(huán)視相機(jī)（例如成像、配置和校正方面），綜述現(xiàn)有技術(shù)水平，并深入剖析該領(lǐng)域當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。
圖 1. 典型汽車環(huán)視系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)由位于車輛前部、后部以及兩側(cè)后視鏡處的四個魚眼相機(jī)組成（上圖）。下圖展示了覆蓋車輛周邊 360 度的近場情況
。圖中較小的方框內(nèi)還展示了通過拼接四個相機(jī)畫面為駕駛員提供的環(huán)視可視化效果。
理論上，針孔相機(jī)的視場角為 180 度。然而在實際中，由于光圈和成像器尺寸的實際限制，視場角很難超過 80 度，如圖 2（上圖）所示。魚眼鏡頭通常用于將視場角有效增大到 180 度或更大。值得注意的是，“魚眼” 這個術(shù)語有點用詞不當(dāng)，如圖 2（下圖）所示。由于光線在水和空氣表面交界處發(fā)生折射而彎曲，將近 180 度的大視場角被壓縮到了近 100 度的小視場角。游泳的人也會觀察到同樣的現(xiàn)象，這與魚眼的光學(xué)原理并無關(guān)聯(lián)。魚眼相機(jī)的發(fā)展有著悠久的歷史。伍德在 1908 年最先創(chuàng)造了 “魚眼” 這個術(shù)語，并制造了一臺簡易的魚眼相機(jī) [1]，最近發(fā)布的汽車魚眼視頻數(shù)據(jù)集 “伍德景觀”（WoodScape）在命名時就認(rèn)可了這一事實 [2]。邦德 [3] 用半球形鏡頭取代了這種水基鏡頭，魚眼相機(jī)的光學(xué)發(fā)展由此開始。宮本 [4] 早期對魚眼相機(jī)幾何畸變建模提出了見解，建議使用等距、球極平面投影等方法。
圖 2. 魚眼透視示意圖
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