圖像處理在足球機(jī)器人方面的應(yīng)用

1、數(shù)字圖像處理是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。機(jī)器人視覺(jué)作為智能機(jī)器人的重要感覺(jué)器官，主要進(jìn)行三維景物理解和失敗，是目前處于研究中的開(kāi)放課題。機(jī)器視覺(jué)主要用于軍事偵察、危險(xiǎn)環(huán)境的自主機(jī)器人，郵政、醫(yī)院和家庭服務(wù)的智能機(jī)器人，裝配線工件識(shí)別，定位太空機(jī)器人的自動(dòng)操作等。下面一篇論文是關(guān)于圖像處理在足球機(jī)器人方面的應(yīng)用說(shuō)明：圖像處理在足球機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用 蒙 梅（北京交通大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院 北京 100044） 【摘要】機(jī)器人是目前綜合科學(xué)研究領(lǐng)域的前沿課題，足球機(jī)器人比賽是實(shí)現(xiàn)這一科學(xué)研究的有效方式，其中圖像處理是足球機(jī)器人的首要研究課題。在足球機(jī)器人比賽中，要

2、保證及時(shí)迅速地為決策系統(tǒng)提供有效信息，對(duì)圖像處理的實(shí)時(shí)性有較高要求。本文將闡述如何把BMP圖像的游程編碼（RLE）壓縮格式應(yīng)用于足球機(jī)器人的圖像處理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，并以實(shí)驗(yàn)證明：游程編碼適用于足球機(jī)器人，能夠使圖像處理的運(yùn)行效率和效果滿足足球機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的要求。 【關(guān)鍵詞】圖像處理 足球機(jī)器人 游程編碼（RLE） 1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展，智能機(jī)器人研究及應(yīng)用已經(jīng)成為人工智能研究的熱點(diǎn)。足球機(jī)器人是國(guó)際上廣泛開(kāi)展的一項(xiàng)高科技對(duì)抗活動(dòng)，比賽中機(jī)器人可以自動(dòng)地踢足球。要在有各種干擾的環(huán)境下解決好足球機(jī)器人的協(xié)作，必須解決實(shí)時(shí)圖像識(shí)別處理、人工智能協(xié)作控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)策略、軌跡規(guī)劃和無(wú)限

3、通信等一系列問(wèn)題。毫無(wú)疑問(wèn)，智能機(jī)器人的眼睛是其重要的“感知”來(lái)源，只有得到正確的信息，才有可能進(jìn)行正確的決策處理，進(jìn)而進(jìn)行正確的操作。因此，圖像識(shí)別處理是智能機(jī)器人首先要解決的問(wèn)題。2 圖像處理原理 數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。常用的圖像處理研究方向有圖像變換、圖像編碼壓縮、圖像增強(qiáng)和復(fù)原、圖像分割和圖像識(shí)別、圖像描述、圖像分類(識(shí)別)等。在足球機(jī)器人的圖像處理中，主要應(yīng)用的研究領(lǐng)域?yàn)閳D像分割和圖像編碼壓縮。 2.1 圖像分割 圖像分割就是將圖像劃為一些區(qū)域，在同一區(qū)域內(nèi)，

4、圖像的特征相近；而不同的區(qū)域，圖像特征相差較遠(yuǎn)。圖像特征可以是圖像本身的特征，如像素的灰度、邊緣輪廓和紋理等。圖像的作用是從圖像中提取有用的信息。在圖像分析過(guò)程中，一般首先要對(duì)所給的圖像進(jìn)行分割，再對(duì)分割的區(qū)域作適當(dāng)描述，然后才能對(duì)圖像作某種分析?？梢?jiàn)，圖象分割是圖象分析前的一個(gè)重要處理步驟。圖像分割是圖像處理的基礎(chǔ)，雖然人們提出了很多種圖像分割方法，但沒(méi)有任何一種圖像分割方法能夠適用于所有的圖像。如何選擇分割方法，主要是根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境和具體目標(biāo)而定。 閾值化方法因其簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、性能較穩(wěn)定而成為圖像分割中應(yīng)用最廣泛的分割技術(shù)。對(duì)于圖像的直方圖呈現(xiàn)明顯的兩塊或若干塊不同形狀分布時(shí)，閾值可

5、以選擇在兩分布的交界處。所以說(shuō)，閾值法主要適用于目標(biāo)和背景差別較大的圖像區(qū)域劃分。2.2 圖像編碼壓縮 圖像編碼壓縮技術(shù)可減少描述圖像的數(shù)據(jù)量（即比特?cái)?shù)），以便節(jié)省圖像傳輸和處理時(shí)間，減少存儲(chǔ)容量。壓縮可以在不失真的前提下獲得，也可以在允許的失真條件下進(jìn)行。編碼是壓縮技術(shù)中最重要的方法，它在圖像處理技術(shù)中是發(fā)展最早且比較成熟的技術(shù)。 有些圖像，尤其是計(jì)算機(jī)生成的圖形往往有許多顏色相同的圖塊。在這些圖塊中，許多連續(xù)的掃描行都具有同一種顏色，在這種情況下就可以不需要存儲(chǔ)每一個(gè)像素的顏色值，而僅僅存儲(chǔ)一個(gè)像素值以及具有相同顏色的像素?cái)?shù)目。這種編碼稱為行程編碼，或稱游程編碼，常用RLE（Run-Len

6、gth Encoding）表示。游程編碼技術(shù)相當(dāng)直觀和經(jīng)濟(jì)，運(yùn)算也相當(dāng)簡(jiǎn)單，因此解壓縮速度很快。RLE壓縮編碼尤其適用于計(jì)算機(jī)生成的圖形圖像，對(duì)減少存儲(chǔ)容量很有效。對(duì)于足球機(jī)器人系統(tǒng)，是通過(guò)攝像機(jī)或攝像頭獲取圖像，并且圖形的顏色也是有限的，根據(jù)游程編碼的原理，在足球機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用RLE能有效壓縮圖像數(shù)據(jù)。 2.3 圖像處理在足球機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用要求 在足球機(jī)器人系統(tǒng)中，比賽的特定規(guī)則：在攝像機(jī)所獲取的比賽場(chǎng)地范圍內(nèi)，顏色是有限的，綠色（場(chǎng)地）、橙色（球）、藍(lán)或黃色（隊(duì)標(biāo)）、粉紅或紫色（判斷位置和方向）。也就是說(shuō)，每次采集卡所獲得的圖像中，只要明確這六種顏色的位置方向，為下一步人工智能協(xié)作模

7、塊做準(zhǔn)備。 根據(jù)比賽的實(shí)際，系統(tǒng)的圖像處理要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)是：攝像頭或攝像機(jī)在比賽進(jìn)行中，在一定間隔內(nèi)獲取比賽場(chǎng)地圖像，通過(guò)采集卡初步處理后，返回此時(shí)刻的比賽場(chǎng)地上的圖像，將圖像進(jìn)行處理最終產(chǎn)生一個(gè)表，任何一個(gè)顏色，通過(guò)查詢這個(gè)表，可獲知這個(gè)顏色在圖像中的位置。因此，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求，采用改進(jìn)的閾值分割法和游程編碼壓縮進(jìn)行圖像處理是有效并可實(shí)現(xiàn)的。 3 圖像處理如何在足球機(jī)器人比賽中實(shí)現(xiàn) 足球機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性、抗干擾性方面有較高的要求，需要快速、穩(wěn)定的圖像處理方法，而圖像處理的實(shí)現(xiàn)等于處理算法和相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)圖像的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可有多種，既要盡量地減少圖像所占的內(nèi)存，也不能使圖像數(shù)據(jù)丟失

8、，更不能影響處理速度。以下將分析在足球機(jī)器人中如何利用由閾值分割和游程編碼獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如何進(jìn)行圖像處理，并以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了論證。 3.1 閾值化初步圖像分割 由于比賽場(chǎng)地的光線原因，由同種圖像分割算法得到的顏色閾值也不盡相同，因此，比賽前均需要實(shí)地進(jìn)行顏色采樣，以形成此時(shí)比賽所需的顏色閾值表。方法：將比賽規(guī)定的每一種顏色設(shè)定一代表數(shù)值，在攝像機(jī)下進(jìn)行分別采樣，通過(guò)圖形像素域值化算法，形成并保存對(duì)以上這6種顏色較為精確的閾值范圍，其他的顏色均屬于“未知顏色”。將所有顏色的閾值得到一個(gè)三維數(shù)組： YUVClass 256COLORNUMBER3 256 代表閾值所能達(dá)到的范圍 COLORNUMBE

9、R 為采樣的顏色總數(shù)（包括未知顏色） 3 記錄每個(gè)像素的Y，U，V信息 也就是說(shuō)，通過(guò)這個(gè)YUVClass表，可以判斷從攝像頭獲取的圖像的某個(gè)像素點(diǎn)，其顏色屬于所采集顏色的哪一種，這樣，圖像實(shí)際上被分割為6種顏色的像素。 3.2 圖像像素處理 比賽進(jìn)行時(shí)，攝像頭或攝像機(jī)在一定時(shí)間片內(nèi)獲取圖片l*w，通過(guò)計(jì)算機(jī)的采集卡進(jìn)行處理，獲得的圖像的數(shù)據(jù)是一字節(jié)數(shù)組，每一個(gè)像素的RGB值占據(jù)數(shù)組的3個(gè)單元，即一幅像素為l*w的圖像，經(jīng)采集卡轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)后，l*w個(gè)像素信息以長(zhǎng)度為l*w*3的字節(jié)數(shù)組來(lái)存儲(chǔ)。為了方便對(duì)表YUVClass的查尋，需進(jìn)行處理，即將格式為RGB的圖像數(shù)組轉(zhuǎn)換成格式為YUV的數(shù)組。其轉(zhuǎn)

10、換公式為： Y=0.299*R+0.587G+0.144*B U= (-0.167)*R+(-0.331)*G+0.500*B+127 V= 0.500*R+(-0.419)*G+(-0.081)*B+127 也就是說(shuō)，對(duì)每個(gè)像素的Y/U/V值分別查詢YUVClass表，如果這三個(gè)值在表中都為確定的，那么這個(gè)像素就為采集顏色的一種，否則就為“未知顏色”，這樣，就將一幅長(zhǎng)度為l*w*的圖像數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成長(zhǎng)度為l*w的字節(jié)數(shù)組 m_colorimgl*w，從而即獲得了一幅多值圖像，圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)的顏色值取自。 根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)需求，我們并不需要存儲(chǔ)圖像每一個(gè)像素，只需要獲得這6種顏色的位置。因此

11、，利用游程編碼的原理實(shí)質(zhì)是，將獲得的這個(gè)多值圖像轉(zhuǎn)換成由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)run為單元的一維數(shù)組存儲(chǔ)的格式，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下： struct run public: short x,y,width; / run結(jié)構(gòu)中行像素的位置和寬度 cclass color; / run結(jié)構(gòu)的顏色標(biāo)志 int parent,next; / run在鏈表中的上下節(jié)點(diǎn) ; 這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)是將連續(xù)的同種顏色的行像素點(diǎn)形成一個(gè)run結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，在足球機(jī)器人比賽中，由于比賽場(chǎng)地的顏色大多是連續(xù)性的，作為場(chǎng)地的綠色占了很大的比重，但是決策主要需要的是本方隊(duì)員、對(duì)方隊(duì)員、球和球門的位置。這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所需的圖像信息量比起多值圖像的

12、存儲(chǔ)方法，在沒(méi)有減少主要有效信息量的情況下，存儲(chǔ)量卻能大大地減少。 對(duì)所得的這個(gè)run結(jié)構(gòu)鏈表進(jìn)行四連通操作，即將垂直、水平方向相聯(lián)的同種顏色的run結(jié)構(gòu)的父節(jié)點(diǎn)設(shè)為最早的一個(gè)。在圖像邏輯上，就將圖像進(jìn)一步的分割為6種顏色區(qū)域。 3.3 圖像有效信息的處理 run結(jié)構(gòu)僅僅是對(duì)圖像像素的整理，他只記錄了采集的像素顏色信息，如果要作為足球機(jī)器人的位置判斷，還需要與相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)合。為了易于下一步的處理，將已經(jīng)生成的run結(jié)構(gòu)再次轉(zhuǎn)換為region結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換如下： struct region int color; /顏色編號(hào) int x1,y1,x2,y2; /橫、縱坐標(biāo)的最大值和最小值 float c

13、en_x,cen_y; /一個(gè)region單元的橫、縱坐標(biāo)的質(zhì)心（位置判斷） int area; /像素面積 int run_start; / 這個(gè)region結(jié)構(gòu)的第一run結(jié)構(gòu) int iterator_id; / 唯一ID號(hào) region *next; /鏈表中的下一個(gè)region結(jié)構(gòu) ; region結(jié)構(gòu)最重要的一個(gè)數(shù)據(jù)是region單元的橫、縱座標(biāo)的質(zhì)心，這個(gè)質(zhì)心在滿足一定的條件下，就是要所需要的球、本方隊(duì)員、對(duì)方隊(duì)員、球門的位置等信息。 每一個(gè)顏色就是一個(gè)region結(jié)構(gòu)鏈表，在產(chǎn)生鏈表的同時(shí)，依面積由小到大的形成自己的鏈表。最后，將所有6種顏色的6個(gè)region結(jié)構(gòu)鏈表，形成co

14、lor_class_state表，把鏈表的頭指針賦予顏色信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)color_class_state，如下： struct color_class_state/存儲(chǔ)顏色信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) region *list; /每種顏色的region鏈表的表頭指針 int num; /每種顏色的region結(jié)構(gòu)數(shù) int min_area; / 一個(gè)region結(jié)構(gòu)的最小像素面積數(shù) rgb color; / 每種顏色的RGB值 char *name; / 顏色名 到此，由采集卡所獲得的圖像，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理完畢。任何一種已采樣的顏色在圖像中的位置，都可以從color_class_state表中迅速得到。比如球?yàn)榻凵?，通過(guò)其顏色名返回其region鏈表的頭指針，那么就可以通過(guò)滿足條件下的質(zhì)心得到球的位置，再將位置信息傳給決策系統(tǒng)，即可判斷機(jī)器人下一刻要運(yùn)動(dòng)的方向和速度。就如足球賽場(chǎng)是時(shí)刻變化的，采集卡也是不斷地將新的圖像采集到圖像緩沖區(qū)中，而圖像處理過(guò)程是動(dòng)態(tài)進(jìn)行的，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的各個(gè)表也是在不斷地更新中。 實(shí)驗(yàn)表明，將游程編碼壓縮格式和閾值化分割運(yùn)用在足球機(jī)器人的圖像處理系統(tǒng)中，不僅可以大大減少圖像數(shù)據(jù)信息所占的內(nèi)存，機(jī)器人也可以快速地識(shí)別各種要求的目標(biāo)位置，并且將位置的信息及時(shí)傳送給決策系統(tǒng)來(lái)分析判斷，使整個(gè)足球機(jī)器人系統(tǒng)能夠形成一個(gè)協(xié)和運(yùn)作的