全局視覺足球機器人的動態(tài)目標識別方法改進

1、全局視覺足球機器人的動態(tài)目標識別方法改進張智群（福建信息職業(yè)技術學院，福建福州，350003）摘 要要：在全全局視覺覺小型足足球機器器人比賽賽中，為為保證控控制的實實時性和和準確性性，要求求機器人人的視覺覺系統(tǒng)能能夠快速速處理圖圖像信息息，并對對目標進進行準確確的識別別和跟蹤蹤，但由于受外界環(huán)環(huán)境的干干擾和視視覺系統(tǒng)統(tǒng)自身的的原因，全局視視覺足球球機器人人經常出出現目標標丟失或或識別錯錯誤等現現象。本本文通過過分析影影響目標標識別效效果的各各種因素素，提出出了相應應的改進進方法，并以RROBOOCUPP小型組組足球機機器人系系統(tǒng)為平平臺設計計了目標標識別方方案。關鍵詞：全局視視覺；足足球機器器

2、人；圖圖像處理理；動態(tài)態(tài)目標識識別；改改進0、引言言視覺是機機器人足足球比賽賽的關鍵鍵環(huán)節(jié)，所謂全全局視覺覺，就是是指機器器人的視視覺全部部來自懸懸掛在比比賽場地地上方的的攝像機機，單個個機器人人沒有獨獨立的視視覺感知知能力。目前的的ROBBOCUUP和FIRRA的小小型組比比賽都采采用全局局視覺方方式，如如圖1所所示，攝攝像機通通過掃描描整個場場地獲得得包含每每個運動動目標（機器人人和球）的瞬時時位置、運動方向向等信息息的圖像像，再把把圖像傳傳送給場場外的主主控計算算機進行行處理。主控機機上的決決策程序序通過分分析圖像像中的信信息，圖圖1全局視視覺機器器人足球球比賽將決策轉轉換成控控制命令令

3、傳送到到機器人人身上，控制機機器人完完成比賽賽任務。比賽過程程中，機機器人和和球都是是處于高高速運動動的目標標。為保保證控制制的實時時性，圖圖像處理理和目標標識別必必須在短短時間內內完成，這就要要求視覺覺系統(tǒng)能能夠快速速處理圖圖像信息息，并對對目標進進行準確確的識別別和跟蹤蹤。由于于外界環(huán)環(huán)境的干干擾和視視覺系統(tǒng)統(tǒng)自身的的原因，實際比比賽過程程中全局局視覺足足球機器器人經常常出現丟丟失目標標或識別別錯誤等等現象，嚴重影影響了比比賽策略略的執(zhí)行行和機器器人技術術的正常常發(fā)揮。因此，分析影影響識別別效果的的不利因因素并通通過技術術手段加加以克服服對提高高視覺系系統(tǒng)的整整體性能能具有十十分重要要的意

4、義義。1、影響響識別效效果的因因素圖1示出出了足球球機器人人視覺系系統(tǒng)的工工作流程程。場地地上方的的CCDD攝像機機獲取整整個球場場的實時時模擬彩彩色圖像像信號，通過同同軸電纜纜將圖像像傳輸到到安裝在在主機內內PCII插槽上上的視頻頻采集卡卡，采集集卡將模模擬彩色色圖像轉轉換為數數字彩色色圖像并并存入主主機內存存。圖像像處理軟軟件從內內存中讀讀入圖像像數據，通過搜搜索和掃掃描， 計計算出機機器人和和球的位位置坐標標及方向向。視覺覺系統(tǒng)將將 圖1視覺系系統(tǒng)工作作流程各個機器器人和球球的圖像像數據傳傳遞給決決策系統(tǒng)統(tǒng)，完成成一次圖圖像采集集、傳輸輸和處理理循環(huán)。在足球機機器人視視覺系統(tǒng)統(tǒng)中，影影響

5、識別別效果的的因素主主要有以以下幾個個方面：1.1圖圖像的徑徑向畸變變（桶形形失真）由于攝像像機的光光學系統(tǒng)統(tǒng)有一定定的非線線性，加加之鏡頭頭視角與與攝像機機的高度度不匹配配，攝取取的圖像像會產生生幾何失失真，這這種失真真從中間間到邊緣緣逐漸增增大，稱稱為桶形形失真，也叫做做徑向畸畸變。如如圖3所示。這種非非線性失失真必然然影響視視覺辨識識的精度度，因此此要加以以矯正。圖2圖像像的徑向向畸變 圖3 機器器人高度度產生的的定位畸畸變及矯矯正1.2機機器人的的投影畸畸變 足球機器器人的顏顏色標志志位于機機器人頂頂部，由由于機器器人本身身有一定定的高度度，攝像像機存在在光學視視角，位位于場地地中心附

6、附近的目目標，采采集所得得到的位位置坐標標與實際際差別不不大；而而距離場場地中心心較遠的的目標，所采集集的位置置坐標與與實際位位置坐標標差別就就比較大大，如圖圖4所示。這這種畸變變稱為定定位畸變變，也叫叫做投影影畸變，需要采采取適當當的方法法進行矯矯正。1.3 色標方方案設計計色標是指指標示在在機器人人頂部表表明機器器人身份份特征的的顏色標標志及其其組合方方式。不不同的色色標方案案在識別別過程中中會產生生截然不不同的效效果。如如果色塊塊之間距距離太近近，會產產生不同同程度的的色標重重疊和滲滲色現象象，造成成圖像分分割困難難；如果果不同色色塊的顏顏色差別別太小，則會使使不同機器器人之間間區(qū)分困困

7、難，造造成識別別失敗。事實上上，不同同的色標標方案對對應不同同的目標標識別算算法，識識別過程程是方案案和算法法共同作作用的結結果。因因此，需需要合理理設計色色標方案案，盡量量降低識識別算法法的復雜雜度，保保證目標標的可靠靠識別。2、改善善識別效效果的辦辦法2.1徑徑向畸變變矯正光學鏡頭頭幾何畸畸變的數數學模型型如下： （1）式中，、為畸變變以前的的原始坐坐標；、為畸變變后的坐坐標。圖圖像采集集卡所采采集到的的圖像是是畸變以以后的圖圖像，所所以獲得得的是、，要求求的是、。式(1)的的參數、可由一一些先驗驗點(例例如門區(qū)區(qū)和四角角等)的的對應關關系通過過求平均均值的方方法得到到。式（1）的的方程組

8、組采用牛牛頓迭代代的方法法求解，結果如如下： （22）實驗結果果表明，將上述述方法加加入程序序中，可可以有效效矯正鏡鏡頭引起起的徑向向畸變，矯正之之前邊角角附近的的坐標偏偏差多達達10個個像素，矯正后后可降低低到13個。2.2定定位偏差差矯正如圖4所所示，OO點為場場地中心心，B點為機機器人實實際位置置，A點為攝攝像機攝攝取圖像像上機器器人的位位置；為為攝像機機高度，為機器器人高度度，為機機器人實實際位置置坐標，為機器器人的圖圖像坐標標?，F要要將A點矯正正回B點，根根據相似似三角形形原理，于是是有 （33）從而求得得機器人人實際位位置坐標標 （4）實際場地地上機器器人位置置坐標由由X坐標和和Y

9、坐標組組成，應應分別進進行矯正正處理。2.3優(yōu)優(yōu)化色標標設計方方案，提提高識別別準確率率圖5是RROBOOCUPP小型組組5個機機器人的的一種色色標設計計方案，色標中中較大的的是隊伍伍標志，較小的的是號碼碼標志，兩種色色標的顏顏色不同同。機器器人的正正方向為為從下向向上。圖4 機機器人色色標設計計方案該方案的的特點是是使用的的顏色較較少、色色標之間間距離較較遠，避避免了互互相滲色色和混淆淆。機器器人的中中心通過過兩個以以上色標標的位置置坐標計計算得到到，提高高了準確確度，機機器人的的方向角角通過簡簡單的向向量運算算得出，算法容容易實現現。色標搜索索一般采采用移動動網格法法進行，但這種種方法的的

10、掃描結結果可靠靠性差，定位精精確度低低。本文文借用小小波分析析中多分分辨率分分析的思思想，采采用先大大尺寸搜搜索后小小范圍掃掃描定位位的方法法搜索目目標色塊塊。下面面以球為為例來說說明搜索索目標的的具體步步驟：（1）先先以較大大的尺度度對場地地進行掃掃描，找找出滿足足球顏色色閾值范范圍的像像素點。如圖66所示，陰影影部分為為目標區(qū)區(qū)域，虛虛線為搜搜索路徑徑。圖5大尺尺寸搜索索示意圖圖 圖圖6小范圍圍逐行逐逐列搜索索（2）對對上述像像素點進進行聚類類，連成成許多連連通塊。找到其其中最大大的連通通塊，計計算出它它的最小外接矩矩形（MMER）及MEER的中中心點。（3）以以該點為為中心，擴大一一定的

11、區(qū)區(qū)域進行行逐行逐逐列掃描描，該區(qū)區(qū)域略大大于步驟驟（2）中的MER。如圖77所示。（4）對對掃描得得到的像像素點重重復步驟驟（2），得到到的最大大連通塊塊即為球球的區(qū)域域，求出出其形心就是球球的位置置坐標。假設在數數字圖像像中球場場占據了了行列的像像素點，而球被被包含在在一個行行列的矩矩形內。若進行行逐行逐逐列掃描描，則掃掃描的總總的像素素點數為為（5）若改用上上面所說說的方法法進行掃掃描，則則掃描的的總像素素點數為為（6）兩者之間間的比值值為：（7）顯然對于于球來說說，式（7）右邊邊的后一一項可以以忽略?？梢姡煤笠灰环N方法法進行掃掃描，使使計算量量減少了了大約33/4。隊標的識識別方法法

12、和球的的識別很很相似，也可以以用多分分辨率的的掃描方方法進行行快速定定位。但但由于機機器人的的速度是是受控制制的，而而且有一一定范圍圍，所以以只要知知道前一一幀圖像像中隊標的位位置，下下一幀搜搜索的范范圍就會會大大減減少，所所以不需需要對整整個場地地進行掃掃描，只只需對以以前一幀幀上隊標標為中心心的一定定區(qū)域進進行掃描描即可。隊標位置置確定后后，根據據號碼標標之間、隊標與與號碼標標之間的的固定關關系，在在隊標周周圍搜索索屬于本本機器人人的號碼碼標。當兩個或或兩個以以上機器器人擠在在一起以以致無法法正確區(qū)區(qū)分機器器人編號號時，需需要在程程序中增增加一級級相應的的判斷過過程，也也可以用用上一幀幀的

13、搜索索結果數數據作為為當前值值進行處處理。我們的實實驗編程程環(huán)境為為Vissuall C+.NNET，主控計計算機的的配置為為Inttel奔奔騰IVV主板，主頻11.8GG，內存存2566M。3、結論論顏色模型型和目標標識別方方案的選選擇和設設計是視視覺系統(tǒng)統(tǒng)設計和和研究的的主要內內容，動動態(tài)目標標識別算算法的優(yōu)優(yōu)化是提提高系統(tǒng)統(tǒng)識別效效率的根根本途徑徑。本文文針對影影響動態(tài)態(tài)目標識識別的不不同因素素，提出出了相應應的改進進方案，并通過過實驗驗驗證了方方案的可可行性。實踐證證明，選選取適當當的顏色色空間模模型，采采取合理理的色標標設計方方案和目目標識別別方法，不僅能能夠提高高足球機機器人視視覺

14、系統(tǒng)統(tǒng)識別的的準確率率，而且且能夠節(jié)節(jié)省系統(tǒng)統(tǒng)資源，提高系系統(tǒng)的整整體工作作效率。參考文獻獻1 杜嘯曉曉，夏為為任，周周曉，施施鵬飛.機器人人足球系系統(tǒng)中多多移動目目標的檢檢測、識識別AA.長長沙：中中南工業(yè)業(yè)大學學學報中國國20000年機機器人學學大會論論文專輯輯，20000，31：4877-4889.2 鐘玉琢琢，喬秉秉新，李李樹青.機器人人視覺技技術MM.北北京：國國防工業(yè)業(yè)出版社社，19994.3 K.RR.Caastllemaan. 朱志剛剛，林學學訚，石石定機，等譯. 數字字圖像處處理MM.北北京：電電子工業(yè)業(yè)出版社社，19998.4 張艷珍珍，歐宗宗瑛，薛薛斌黨.一種基基于斜率率

15、的攝像像機畸變變校正方方法JJ.小小型微型型計算機機系統(tǒng)，20002，223（55）：6625-62775 S.SShahh，J.K.AAggaarwaal. “A SSimpple Callibrratiion Proocedduree foor FFishh-Eyye(HHishh-Diistoortiion)Lenns CCameera ”Prooc,IIEEEE Innt.CConff onn Roobotticss annd AAutoomattionn,19994.pp 34222-334277.6 “Aboout FIRRA CCup”EBB/OLL.hhttpp:/t/fiir

16、accup/oveerviiew.htmml7 “Smaall Sizze RRoboot LLeaggue”EBB/OLL.hhttpp:/smaall-sizze.iinfoormaatikk.unni-bbremmen.de/ 作者簡介介：張智智群，（19669-），男，漢族，吉林林前郭人人，福建建信息職職業(yè)技術術學院電電子工程程系助教教，碩士士，研究究方向：智能信信息識別別與處理理。IMPRROVEEMENNT OOF DDYNAAMICC OBBJECCT RRECOOGNIITIOON OOFGLOBBAL VISSIONN SOOCCEER RROBOOTZHANNG ZZhi-

17、qunn(Fujjiann Poolyttechhnicc off Innforrmattionn Teechnnoloogy, Fuuzhoou, 3500033)Absttracct:IIn gglobbal vissionn smmalll siize robbot socccerr gaamess, tto aassuure thee reeal-timme aand preecissionn coontrrol, itt iss neecesssarry ffor thee viisioon ssysttem to proocesss iimagge iinfoormaatioon

18、sspeeedilly aand reccognnizee annd ttracck oobjeectss exxacttly. Foor tthe reaasonns oof eexteernaal eenviironnmennt aand sysstemms llimiitattionn, obbjecct-mmisssingg orr miisreecoggnittionn offtenn haappeen dduriing thee gaamess. IIn tthiss paaperr, vvariiouss faactoors whiich afffectt thhe oobjeect reccognnitiion aree annalyyze