隨著計算機科學和自動控制技術的發(fā)展，越來越多的不同種類的智能機器人出現在工廠、生活當中，機器人視覺系統(tǒng)作為智能機器人系統(tǒng)中一個重要的子系統(tǒng)，也越來越受到人們的重視。它涉及了圖像處理、模式識別和視覺跟蹤等領域。不同種類的機器人由于工作的重點不一樣，它的視覺系統(tǒng)在軟件或硬件上都有著細微的差別。本文研究基于服務機器人的單目視覺系統(tǒng)。它處理的是二維圖像，是基于對無遮擋物體顏色和形狀的識別以及3D目標物體的平動跟蹤。

視覺系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，它既要做到圖像的準確采集還要做到對外界變化反應的實時性，同時還需要對外界運動的目標實時跟蹤。因此，視覺系統(tǒng)對硬件和軟件系統(tǒng)都提出了較高的要求。目前比較流行的足球機器人技術，它的視覺系統(tǒng)屬于比較典型的快速識別和反應類型。一般情況下，它是通過彩色標志定標的方法來達到對隊員和目標的識別，以及通過擴展卡爾曼濾波器的預測功能來實現對目標的跟蹤功能。在硬件上，采用一個現成的攝像機來實現一個機器人的圖像采集系統(tǒng)。

本系統(tǒng)在設計上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類型傳感器進行采集圖像，DSP處理芯片TMS320VC5509A進行圖像處理以及作為CPU控制，在設計過程中，為了直觀顯現機器人視覺系統(tǒng)識別和跟蹤的效果，專門采用了一個TFT格式的液晶來直觀顯示。軟件上，采用了一部分足球機器人的視覺技術來達到對目標的快速識別，通過全局的特征矩構建的雅可比矩陣達到對目標的自適應跟蹤。

1 硬件部分設計

圖1為系統(tǒng)硬件電路的功能模塊框圖。

 



 

1.1 圖像采集

視覺鏡頭把外部的圖像信息成像在圖像傳感器的面陣單元上。目前流行的圖像傳感器有面陣CCD(Charged Coupled Device，電荷耦合器件)型和面陣CMOS兩種。相比較CCD型的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的有源像素單元為每一個像素提供了放大器，只需一個單供電低邏輯電平電壓，功耗只相當于CCD的十分之一。CMOS圖像傳感器內部集成了A/D轉換部分，直接輸出數字信號。基于這些因素，本系統(tǒng)采用了Omnivision公司推出的CMOS彩色圖像傳感器OV7635。

OV7635的分辨力為640X480，能輸出3種格式的8位數據:YCbCr4:2:2模式、RGB4:2:2模式和RGB原始數據模式。輸出VGA格式最大可達到30fps(fps:每秒幀數)。能工作在逐行掃描下和隔行掃描下。OV7635有主模式和從模式兩種工作模式。在主模式下，同步信號和時鐘不由外圍設備控制。在從模式下，OV7635的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及系統(tǒng)的晶振頻率XCLK均由外部設備控制。本系統(tǒng)采用的是主模式。OV7635通過I2C總線配置片內寄存器，使其輸出原始數據。系統(tǒng)上電復位后，由DSP芯片的I2C總線信號對CMOS寄存器初始化。然后OV7635就按要求輸出圖像信號。包括行同步信號HREF，場同步信號VSYNC，像素時鐘信號PCLK，數字圖像信號。

1.2 液晶顯示

為了很直觀的看到視覺系統(tǒng)對人的識別和跟蹤效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶顯示屏。為了不增加對DSP的負擔，同時也為了實時看到對外界目標物體的跟蹤效果，液晶顯示的數據不經由DSP，直接通過傳感器OV7635輸出的圖像數據信號和CPLD控制時序來進行顯示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3(RGB)×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對輸入的數據格式進行選擇:串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺系統(tǒng)采用的輸入數據格式是CCIR601格式，掃描模式為由上到下和左到右的掃描模式。

在CCIR601格式下，圖像傳感器輸出的像素時鐘PCLK通過CPLD二分頻作為液晶的工作時鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號HREF經過CPLD的處理后作為液晶的行同步信號HIS，這樣，在CPLD控制下，圖像傳感器OV7635輸出的數據信號送入液晶中進行顯示。

1.3 時序控制

OV7635輸出的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及像素時鐘信號PCLK接至CPLD芯片，產生控制信號把OV7635輸出的數據信號存入FIFO幀存儲器AL422B中，以及產生液晶的時鐘和行同步信號控制液晶的顯示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD中完成了對FIFO的寫控制、通知DSP讀信號、液晶的時鐘信號的產生等功能。

CPLD接收場同步信號VSYNC，此信號的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開始，此時CPLD產生WRST負脈沖復位FIFO的寫指針。場同步信號VSYNC下降沿后，判斷行同步信號HREF的上升沿到來，接著利用像素時鐘信號PCLK作為寫時鐘WCK將圖像數據直接存儲到FIFO中，當存到一定的數后，就及時發(fā)信號給DSP，以便DSP讀取數據，本系統(tǒng)采用的是一個中斷INT0來通知DSP。此時DSP可以讀數據也可以不讀，視處理的速度來定。讀數據時，可利用RD和片選，產生RCK信號。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫速度為原則。

在對液晶的邏輯時序控制上，由于圖像輸出的信號是640×480的像素，而液晶的顯示為320×240的格式。所以利用CPLD把圖像傳感器輸入的像素時鐘信號PCLK進行二分頻產生液晶的時鐘信號控制液晶的顯示，同時對行同步信號進行隔行有效從而達到液晶對圖像的顯示。CPLD中的程序編寫用的采用了硬件描述語言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺上進行編寫的。由于在選用芯片時采用的是EPM7064S系列的44腳PLCC封裝的，只能工作在5V電壓情況下，其輸出的高電平信號是5V，必須通過處理才能接入系統(tǒng)中工作在3。3V狀態(tài)下的芯片器件。

1.4 幀存儲器選擇

幀存儲器有需要外部提供地址線的RAM和不需要外部提供地址線的FIFO，為了簡化CPLD的設計。采用了FIFO的幀存儲器。FIFO又可以分為基于動態(tài)存儲的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM。基于靜態(tài)SRAM的優(yōu)點是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數據;基于DRAM的優(yōu)點是容量大，只需一片就能存儲一幀數據，缺點是必須有刷新電路。本設計中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動態(tài)存儲芯片AL422B。其刷新電路比較簡單，僅需WCK或RCK提供大于1M的不間斷脈沖即可。AL422B的存儲容量為3MB，由于系統(tǒng)一幀的信息通常包含640×480個彩色像素，每個像素占用2個字節(jié)，可存儲1幀圖像的完整信息，其工作頻率可達50MHz。

1.5 視頻處理DSP

在選用DSP時，在兼顧處理速度，存儲容量，現有條件下的加工工藝水平，以及性價比方面，選用了TI公司的144腳封裝的TMS320VC5509A，此芯片的最高工作頻率可達到200MHz，具有很高的處理速度。

DSP收到來自CPLD的讀通知信號后開始讀取AL422B中的視頻數據。為了方便處理數據，在DSP外圍擴展了一個的SDRAM。芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存儲容量為1M×16bits。

當DSP上電復位后，通過采樣GPIO0～GPIO3的狀態(tài)，根據采樣的狀態(tài)來進行什么樣方式的程序裝載。本系統(tǒng)的采用外接的flash存儲芯片的SPI口對DSP進行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對圖像傳感器進行寄存器初始化。圖像傳感器開始輸出信號。整個系統(tǒng)開始進入工作。

DSP作為高速的處理器，主要用于圖像的處理。由于本視覺系統(tǒng)要完成識別和跟蹤功能，數據的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時，DSP也作為控制器使用完成對控制器的控制，從而構成視覺跟蹤系統(tǒng)。

2 軟件部分設計

由于本系統(tǒng)采用的是顏色和形狀相結合的辦法對無遮擋目標物體的識別。為了達到機器人實時快速的目的，在軟件方法上，主要采用了目前常用的足球機器人的顏色識別方法，目前比較常見是基于閾值向量的顏色判斷法。下面簡述顏色識別原理。

2.1 色彩空間選擇

對于采用基于彩色圖像分割的方法識別目標時，首先要選擇合適的顏色空間，常用的顏色空間有RGB、YUV、HSV、CMY等。顏色空間的選擇直接影響到圖像分割和目標識別的效果。

RGB:是最常用的顏色空間，其中亮度等于R、G、B3個分量之和。RGB顏色空間是不均勻的顏色空間，兩個顏色之間的知覺差異與空間中兩點間的歐氏距離不成線性比例，而且R、G、B值之間的相關性很高，對同一顏色屬性，在不同條件(光源種類、強度和物體反射特性)下，RGB值很分散，對于識別某種特定顏色，很難確定其閾值和其在顏色空間中的分布范圍。因此通常會選擇能從中分離出亮度分量的顏色空間，其中最常見的是YUV和HSV顏色空間。

HSV:接近人眼感知色彩的方式，H為色調(Hue)，S為色飽和度(Saturation)，V為亮度(Value)。色調H能準確地反映顏色種類，對外界光照條件變化敏感度低，但是H和S均為R、G、B的非線性變換，存在奇異點，在奇異點附近即使R、G、B的值有很小變化也引起變換值有很大的跳動。

YUV:RGB顏色空間線性變化為的亮度-色彩空間。是為了解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題而提出的。Y表示亮度(Luminance)，UV用來表示色差(Chrominance)。YUV表示法的重要性是它的亮度信號(Y)和色度信號(U、V)是相互獨立的。所謂色差是指基色信號中的3個分量信號(即R、G、B)與亮度信號之差。

因此，針對以上原因，本系統(tǒng)在采用的是YUV色彩空間。

YUV格式與RGB存在如下關系:



2.2 閾值確定和色彩判斷

在確定閾值時，首先通過采集樣本進行訓練，從而得到預定的幾種顏色在YUV空間的分量的上下閾值，如圖2所示。



當一個待判定的像素在色彩空間中的位置落在這個長方體中時，就認為該像素屬于要找的顏色，從而完成對圖像顏色的識別。在Y空間中，Y值表示亮度，因它的變化很大，所以只考慮了U和V的值，在進行顏色判斷時，首先分別建立U、V的閾值向量。

由于在系統(tǒng)中圖像傳感器的數字信號是8位，即1Byte，共255Byte，系統(tǒng)最多能判定8種顏色。在顏色識別后進行圖像分割，在圖像分割中采用了種子填充算法，其整個種子的填充是和像素點的顏色同時進行的，一開始不是對所有的像素進行處理，而是分塊進行的，本系統(tǒng)采用的塊是32×24像素，這樣計算量大大減小。當中心點是所要識別的顏色時，就以這個點為種子向四周擴散，并判定周圍像素點的顏色，直到填滿整個塊。在這過程中，同時對目標進行形狀識別。本系統(tǒng)采用了基于全局的特征向量的識別算法來進行識別。同時也為構建雅可比矩陣得到需要的矩特征量。圖3為圖像識別分割流程圖。



2.3 視覺跟蹤軟件原理

當目標物體被識別以后，視覺系統(tǒng)將調整鏡頭使目標位于視野的中心。一旦物體運動，視覺系統(tǒng)將進行對目標物體的跟蹤。

在機器人視覺跟蹤系統(tǒng)上，采用無定標的視覺跟蹤系統(tǒng)。無定標的視覺跟蹤不需要事先對攝像鏡頭進行定標，而是應用自適應控制方面的原理，在線的實時調整圖像雅可比矩陣。通過二維的圖像特征信息反饋，這種方式對攝像機模型誤差和機器人模型誤差、圖像誤差、圖像噪聲不敏感?；趫D像跟蹤的視覺跟蹤控制系統(tǒng)，如圖4。

 



 

控制量c為機器人頭部的控制系統(tǒng)。首先把目標放在機器人視野的前方采集到期望的圖像，從期望圖像中抽取期望的特征集，作為視野跟蹤控制系統(tǒng)的期望輸入，從而完成任務需要的視野特征集定義。在實時控制系統(tǒng)中，由機器人的圖像傳感器獲取實時采樣圖像，從中獲取實時特征集，這樣構成一個視野反饋，引導機器人完成跟蹤任務。區(qū)別于圖像的簡單幾何特征，本系統(tǒng)選用的視覺特征集為全局的圖像描述—圖像矩。

根據矩特征變化量與相對位姿變化量之間的關系矩陣，即圖像雅可比矩陣，然后利用推導的圖像雅可比矩陣，設計了視覺跟蹤控制器，完成系統(tǒng)對3D目標物體的平動跟蹤。

3 實驗結果

圖5為DSP為clkout腳輸出波形，表明DSP的內部時鐘電路工作正常。圖6的圖像傳感器輸出數據波形證明了圖像傳感器工作正常。圖7的DSP采集到的圖像數據，可以確定整個圖像采集硬件電路工作正常。

 



 


4 結　論

針對服務機器人的視覺系統(tǒng)，本文通過構建它的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)完成了整個系統(tǒng)的設計。在硬件系統(tǒng)上，采用了CMOS圖像傳感器，CPLD時序控制，異步動態(tài)FIFO的數據緩存，以及高速DSP處理器構成了一個典型的圖像采集系統(tǒng)，并調試輸出了圖像信號。在軟件設計上，采用了足球機器人的彩色識別和彩色分割識別技術去完成視覺系統(tǒng)快速準確的識別，采用基于動態(tài)的工作方式以及采用基于圖像的雅可比矩陣的控制原理，去實現自適應補償跟蹤控制系統(tǒng)。