王利利 李衛(wèi)國 曲寶福 葛素霞 任超群

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.固陽縣職業(yè)教育中心，內(nèi)蒙古 包頭 014200)

0 前言

視覺系統(tǒng)是對整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)信號進(jìn)行檢測的機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人系統(tǒng)最關(guān)鍵的組成部分之一，相當(dāng)于機(jī)器人的“眼睛”，是獲取外界信息的唯一途徑。其主要作用是通過攝像頭裝置采集到比賽場上的實(shí)時(shí)圖像，經(jīng)過圖像的分析、處理，得到特定目標(biāo)的實(shí)時(shí)信息，如球的位置、角度，機(jī)器人自己的位置，目標(biāo)識別等，并將這些信息送入決策系統(tǒng)以便對機(jī)器人的運(yùn)動做出決策。

1 圖像識別

在機(jī)器人視覺系統(tǒng)中，當(dāng)圖像經(jīng)過分割并被描述成有效特征后，需要對目標(biāo)進(jìn)行識別，為以后的決策提供依據(jù)。目標(biāo)識別時(shí)，主要是根據(jù)目標(biāo)的有效特征對圖像進(jìn)行篩選而達(dá)到一些目的，如足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)就是利用顏色信息篩選場地圖像來識別出哪個(gè)物體符合球的顏色模式。

2 區(qū)域連接及特征提取

像素需要進(jìn)行連通域的分析，以達(dá)到識別目標(biāo)的目的。本文為我校科研項(xiàng)目，在本項(xiàng)目的研究過程中進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，主要對像素的鄰接性和又稱編碼法進(jìn)行了深入的研究，最終決定采用游程編碼法連接區(qū)域，通過連通標(biāo)記法分析像素連通性。

像素的鄰接性這一過程有4-鄰接和8-鄰接兩種情況。如圖1所示為4-鄰接和8-鄰接。

(a)4-鄰接 (b)8-鄰接

實(shí)驗(yàn)對4-鄰接及8-鄰接的圖像像素進(jìn)行掃描分析，采用連通標(biāo)記法對整幅圖像的所有像素都進(jìn)行一次掃描，把同一顏色類的相鄰像素連成色塊，因?yàn)閳D像上的像素點(diǎn)都要被處理，所以這種方法的計(jì)算量是很龐大的，而且對于多目標(biāo)的彩色圖像其標(biāo)記也比較復(fù)雜需要占用大量的存儲空間來儲存標(biāo)記及標(biāo)記以后的像素，于系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不利。

本文最終決定采用游程編碼的方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是很明顯的，區(qū)域合并的計(jì)算量由像素級變?yōu)橛纬碳?，處理維數(shù)從二維降到了一維，大大減少了計(jì)算量，也保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。該方法的整個(gè)過程為：首先，對已經(jīng)過顏色分類的圖像進(jìn)行行向掃描，由于在機(jī)器人視覺中，其圖像中的相鄰像素是很少變化的，所以我們可以對同一行中屬于同一顏色類的相鄰像素用同一個(gè)游程編碼表示，這將加快后面圖像處理的速度(因?yàn)楹竺鎴D像的處理是基于游程的而不是單獨(dú)的像素)。由于圖像中行方向上的像素已經(jīng)被水平游程編碼而連通，因此當(dāng)進(jìn)行后面的區(qū)域合并時(shí)，只需要考慮圖像垂直方向上(即列方向)連通性。在進(jìn)行游程編碼的過程中要同時(shí)記錄游程的長度、起始位置以及所屬類別。第二階段，從上到下縱向的掃描游程，判斷相鄰兩行處于同一通道的游程是否鄰接，來構(gòu)成游程有向的圖結(jié)構(gòu)。每一個(gè)游程都是圖的一個(gè)根，剛開始其父指針是指向自己的，對圖像從上至下從左至右進(jìn)行掃描，把同顏色類的相鄰的游程合并，同時(shí)形成一個(gè)有向鄰接表。再進(jìn)行一次從上到下的游程掃描，根據(jù)鄰接表將所有相連父指針都指向和它們相連的第一個(gè)根節(jié)點(diǎn)，依次完成圖像中所有游程的指向，區(qū)域合并結(jié)束。每個(gè)區(qū)域把自己的第一個(gè)根節(jié)點(diǎn)地址作為區(qū)域標(biāo)識。利用游程編碼方法進(jìn)行區(qū)域連接的過程見圖2。

(a)生成獨(dú)立的游程

(b)掃描游程的鄰接關(guān)系

(c)父指針指向最頂根節(jié)點(diǎn)

(d)更新后者父指針

式中，n表示區(qū)域中游程個(gè)數(shù)，a表示游程起始像素的橫坐標(biāo)，l表示每個(gè)游程的長度，h表示每個(gè)游程的縱坐標(biāo)。

3 目標(biāo)識別

3.1 足球識別

在上述區(qū)域連接和特征提取后，對全部區(qū)域按面積由大到小的順序進(jìn)行排列，面積較大的區(qū)域有可能是目標(biāo)，而面積太小的區(qū)域被認(rèn)為是干擾。本文采取的方法：通過黃色區(qū)域面積的大小來識別，但是為了防止識別錯(cuò)誤，需要增加判斷條件，第一個(gè)條件是看檢測到的黃色區(qū)域是否與綠色場地區(qū)域相鄰接，當(dāng)這兩個(gè)區(qū)域不鄰接說明是干擾，若鄰接就認(rèn)為這個(gè)黃色區(qū)域可能是球；如果通過第一個(gè)條件判斷后，符合條件的黃色區(qū)域不止一個(gè)時(shí)，就進(jìn)行第二個(gè)條件的判斷來識別球，第二個(gè)條件是利用檢測到的黃色面積與距離的平方成反比關(guān)系A(chǔ)d2>d'來判斷，A表示黃色區(qū)域的面積，d表示球與機(jī)器人的距離，d′是設(shè)定的閾值，如果區(qū)域滿足這個(gè)條件就判定它為干擾，否則就是球。球的識別如圖3所示。

圖3 足球識別、白線識別實(shí)物圖

3.2 白色標(biāo)示線識別

白色標(biāo)示線具有明顯的特征：在比賽場地上，隨處可見白色標(biāo)示線，由于機(jī)器人的全向視覺可以觀察到周圍360°范圍的景物，而且按照比賽場地的設(shè)置，白色標(biāo)示線在場地上的分布具有明顯的幾何特征，如白線組成的中圈、球門區(qū)、禁區(qū)等具有圓弧、拐角等幾何信息。

機(jī)器人足球比賽中，大多數(shù)比賽隊(duì)伍都是利用白色標(biāo)示線的信息來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自定位，因?yàn)榘咨珮?biāo)示線受干擾少對實(shí)現(xiàn)精確、穩(wěn)定的定位比較有利。本文利用白色標(biāo)示線與綠色場地的明顯對比，來識別白線。檢測白色區(qū)域是否與綠色區(qū)域相鄰接來識別白色區(qū)域是否為白色標(biāo)示線。這種方法簡單可靠，能識別出場地上大部分的白色標(biāo)示線，由于采用的是邏輯判斷沒有復(fù)雜的數(shù)值運(yùn)算，因此實(shí)時(shí)性比較好。白色標(biāo)示線的識別如圖3所示。

4 結(jié)語

在足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)性、快速性是圖像處理技術(shù)的兩大特點(diǎn)。本文根據(jù)圖像分割后的有效特征對目標(biāo)識別方法進(jìn)行了較深入研究，包括足球和比賽場地中的白色標(biāo)示線。最終采用游程編碼的方法進(jìn)行區(qū)域連接，較一般的連通標(biāo)記法其實(shí)時(shí)性是顯而易見的，并具體的給出了足球識別和白色標(biāo)示線識別的方法。

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