平鈺光+錢炳鋒+屠強(qiáng)

【摘 要】目前圖像跟蹤平臺(tái)，多大基于PC系統(tǒng)，不利于嵌入式移植和小型移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)，而視覺(jué)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多需要做定制化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不利于推廣實(shí)施。本文提出一種基于pixy開源平臺(tái)，高響應(yīng)，多物體跟蹤的模塊化平臺(tái)，文中分別對(duì)該系統(tǒng)的各硬件軟件組成部分進(jìn)行了介紹。

【關(guān)鍵詞】Pixy；模塊化；卡接式云臺(tái)

1.Pixy簡(jiǎn)介

Pixy是一個(gè)開源的視覺(jué)傳感器，該技術(shù)的識(shí)別速度很快，因?yàn)樗灶伾珵橹行?，使用色調(diào)過(guò)濾算法來(lái)識(shí)別物體，但對(duì)物體的色彩飽和度有較高的要求[1]。

這種視覺(jué)傳感器支持多物體、多色彩的顏色識(shí)別，最高支持7種顏色，我們可以告訴它想要的顏色，教它找東西。該系統(tǒng)可以一次性標(biāo)繪和報(bào)道數(shù)百個(gè)物體的實(shí)時(shí)地理位置，并且以50Hz的速度完成。如，Pixy每20毫秒就能處理一整幅640×400的圖片，也就是說(shuō)，每20毫秒就能夠獲得一次有關(guān)所偵查物體位置的全面更新。

Pixy支持多種通信方式來(lái)報(bào)道物體的實(shí)時(shí)地理位置，如UARTserial，SPI，I2C等，此外還有PC或Mac版PixyMon應(yīng)用程序，可以用來(lái)瀏覽傳感器實(shí)時(shí)看到的東西。它搭載的圖像傳感器配合強(qiáng)大的硬件，可以配合PC跟蹤、分析多色的數(shù)據(jù)[2-4]。也可以直插在Arduino控制板上，整合到其他項(xiàng)目中。如，把它安裝到機(jī)器人上，便可以為機(jī)器人增加一副眼睛，為機(jī)器人創(chuàng)造了室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)——通過(guò)在門口標(biāo)注顏色代碼，Pixy能夠識(shí)別出入口，并且告訴機(jī)器人該如何走。

2.Pixy系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 Pixy“學(xué)習(xí)”物體

當(dāng)開始給Pixy供電，Pixy的LED燈會(huì)閃幾下。等待LED燈滅掉后再繼續(xù)。用手按住其頂部的按鈕，大約等待1秒鐘，LED會(huì)變亮，先顯示白色，然后是紅色，再然后是其他顏色，當(dāng)其顯示紅色時(shí)，松開按鈕。

在松開按鈕后，LED的顏色就是Pixy攝像頭所看到的圖像中間部分的顏色。

可以用LED的顏色來(lái)判斷物體是否在Pixy視角的中心位置。當(dāng)LED顏色和物體顏色很接近時(shí)，點(diǎn)擊按鍵并迅速松開。如果Pixy認(rèn)為物體有足夠的色彩飽和度，LED便會(huì)閃爍，即操作完成，此時(shí)Pixy現(xiàn)在已經(jīng)“學(xué)會(huì)”了所給的物體，并且會(huì)追蹤具有相同顏色的物體。如果物體的色調(diào)不夠好，LED不會(huì)閃，即Pixy沒(méi)有學(xué)會(huì)所給的物體。這時(shí)，我們可以換一個(gè)色彩飽和度較高的物體。

2.2 Pixy 顏色識(shí)別算法分析

（1）三基色原理

根據(jù)三基色原理，任意一種色光 F 都可以用不同分量的 R、G、B 三色相加混合而成，即F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]。

其中，r、g、b 分別為三基色參與混合的系數(shù)。當(dāng)r=g=b=0，即最弱時(shí)，混合為黑色光；當(dāng)r=g=b=k，即最強(qiáng)時(shí)，時(shí)混合為白色光。更改三個(gè)系數(shù)的值，就可以得到各種各樣的色光。

（2）YUV 色彩空間表示

Y為亮度信號(hào)，U、V為色度信號(hào)，且Y與U、V是分離的。假如有亮度分量而沒(méi)有色度信號(hào)，那么其表示的圖像是黑白灰的圖像。

（3）RGB 和 YUV轉(zhuǎn)換方式

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = -0.147R - 0.289G + 0.436B

V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

（4）Pixy 算法核心思想

在前面介紹的色彩空間表示中Y 是亮度信號(hào)，U、V是色差信號(hào)，而Pixy的算法就是不要亮度只要色度，即只需要色彩。所以我們需要去掉色彩，根據(jù)下面三個(gè)公式：

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

可以得到 U' = R - G = 1.72V + 0.39V

V' = B - G = 2.42U + 0.58V

C' = R + G + B = 3Y + 0.56V + 1.64U

變化后的U'和V'已經(jīng)沒(méi)有 Y 亮度的分量了

因?yàn)槲矬w在不同亮度中顯示的顏色可能也有差異，所以還得考慮一部分亮度的影響即C'。

所以為了減弱亮度對(duì)物體顏色的影響，Pixy會(huì)把色彩值放大若干倍后在除以亮度值。這樣做就強(qiáng)化了色彩，減輕的亮度值的影響。Pixy就能輕松識(shí)別顏色而不會(huì)有太大的誤差。

（5）pixy與 Arduino通訊

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺(tái)，包含硬件和軟件。Pixy需要與Arduino進(jìn)行通訊。

設(shè)置Pixy為可以與微控制器進(jìn)行通訊，且Pixy可以直接與Arduino進(jìn)行通訊，使Pixy自帶的數(shù)據(jù)線將Pixy連接到Arduino，它會(huì)以1Mbits/s的速度發(fā)送塊信息給Arduino，這意味著Pixy每秒可以發(fā)送超過(guò)6000個(gè)識(shí)別的物體或每幀135個(gè)被識(shí)別的物體（Pixy每秒可以處理50幀畫面）。

3.卡接式模塊化云臺(tái)系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

卡接式模塊化云臺(tái)系統(tǒng)如圖1，包括控制器（1）、智能電機(jī)（2）、卡接件一（3）、轉(zhuǎn)接衡梁（4）、卡接件二（5）、從動(dòng)塊（6）、卡接件三（7）。云臺(tái)是由智能電機(jī)通過(guò)各卡接件以及從動(dòng)塊和衡量拼接完成，智能電機(jī)通過(guò)總線方式和控制器連接，控制器對(duì)智能電機(jī)發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)云臺(tái)的控制。通過(guò)上述卡接方式，可以快速實(shí)現(xiàn)多自由度云臺(tái)的搭建，為快速定制云臺(tái)系統(tǒng)提供有效的解決方案。

3.2卡接式模塊化的優(yōu)點(diǎn)

卡接的優(yōu)勢(shì)在于避免了螺紋連接，夾緊，粘貼等其他的連接方法。這些卡接結(jié)構(gòu)是采用模具成型的，不需要額外把他們連接起來(lái)?？ń咏Y(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成一次性的和多次使用的。

云臺(tái)是用于安裝、固定外部器件的支撐設(shè)備，分為固定和電動(dòng)云臺(tái)兩種。固定云臺(tái)適用于作用范圍不大的情況，其達(dá)到最好的工作姿態(tài)后只要鎖定調(diào)整機(jī)構(gòu)即可達(dá)到運(yùn)用效果。而卡接式模塊化云臺(tái)系統(tǒng)（電動(dòng)云臺(tái)的一種），可以極大程度得滿足多場(chǎng)合快速組件要求，提高工作效率。

通過(guò)這種模塊化的卡接方式，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)多自由度云臺(tái)的快速搭建，減少云臺(tái)選型或測(cè)試的工時(shí)損耗。

3.3系統(tǒng)流程

設(shè)置Pixy，使其“學(xué)會(huì)”所給物體并對(duì)顏色進(jìn)行跟蹤，流程如圖2所示。Pixy與Arduino通訊連接后，在Arduino程序中編寫代碼，使云臺(tái)能夠根據(jù)所識(shí)別的顏色對(duì)物體進(jìn)行追蹤。

4.結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于Pixy開發(fā)的模塊化云臺(tái)圖像跟蹤系統(tǒng)采用在機(jī)械云臺(tái)上安裝Pixy Cmucam攝像機(jī)，利用其可以“學(xué)習(xí)”所給顏色進(jìn)行識(shí)別的特點(diǎn)，對(duì)圖像物體進(jìn)行跟蹤。此系統(tǒng)可以同時(shí)識(shí)別多物體、多顏色，高響應(yīng)，具有高時(shí)效性，可大大縮短項(xiàng)目開發(fā)設(shè)計(jì)，且利于基于視覺(jué)的競(jìng)賽系統(tǒng)開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉治湘，羅均.基于仿生雙目機(jī)械云臺(tái)的圖像跟蹤技術(shù)研究[J].機(jī)械工程師，2012，6.

[2]張桂紅.基于Pixy Cmucam5圖像識(shí)別傳感器的物品分揀裝置[J].電子制作.2016，20.

[3]陳孟臻.三軸WIFI攝像頭舵機(jī)云臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].2015，3.

[4]張雁寧.基于STM32和pixy CMUcam5視覺(jué)傳感器的雙控制模式全向車的設(shè)計(jì)[J].2016，16.

基金項(xiàng)目：

本項(xiàng)目受上海電機(jī)學(xué)院車輛工程學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號(hào)：16TSXK01；上海市大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃資助。endprint