基于DSP的移動(dòng)采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳義滿

(江蘇醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院，江蘇 鹽城 224000)

0 引言

機(jī)器視覺(jué)的核心技術(shù)“光電圖像傳感”和“圖像處理”技術(shù)的發(fā)展，給機(jī)器視覺(jué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。在“光電圖像傳感”技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，CCD圖像傳感器的出現(xiàn)使CCD攝像機(jī)取代了硅靶管攝像，從而使圖像采集的小型化、廉價(jià)、功耗低成為可能。以CPU、DSP及大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷榇淼膱D像處理硬件技術(shù)的飛躍，使圖像處理在速度、價(jià)格、功耗等方面的廣泛應(yīng)用成為可能。將DSP處理器應(yīng)用在采摘機(jī)器人的目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可以有效地提高機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，減輕機(jī)器人的質(zhì)量，從而提高機(jī)器人的作業(yè)效率。

1 視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)和嵌入式DSP處理器總體設(shè)計(jì)

目前，采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)有兩種：一種是基于位置的，該方法需要對(duì)三維姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)；另一種是直接基于圖像的，將圖像的特征信息直接用于反饋，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。通過(guò)CCD相機(jī)采集得到的圖像直接使用嵌入式DSP進(jìn)行圖像處理，通過(guò)邊緣檢測(cè)等技術(shù)得到圖像的基本特征，將特征信息進(jìn)行反饋，用于采摘機(jī)器人的動(dòng)作控制。

2 移動(dòng)式采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)主要是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換裝置，利用該裝置可以將采集得到的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別和進(jìn)行處理的信號(hào)，因此在采集圖像時(shí)需要使用特殊的采集裝置。CCD相機(jī)及圖像傳感器是近幾年發(fā)展的一種新式的圖像采集裝置，它可以在采集圖像的同時(shí)進(jìn)行數(shù)字化處理，將圖像直接轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)圖像的保存、處理和可視化顯示等。CCD相機(jī)和圖像傳感器的工作原理如圖2所示。

CCD圖像傳感器和傳統(tǒng)的器件不同，傳統(tǒng)器件往往都是使用電壓或者電流作為信號(hào)，而CCD圖像傳感器是利用電荷作為信號(hào)的。電荷是通過(guò)兩種渠道產(chǎn)生的：一種渠道是光注入，另一渠道是電注入。CCD一般是通過(guò)光注入來(lái)產(chǎn)生電荷，其中電荷信號(hào)QI與光照強(qiáng)度Δn、光照時(shí)間TC、光敏電阻的面積A成正比例關(guān)系，即

QI=η×q×Δn×A×TC

(1)

其中，η為所使用材料的的量子效率；q為電子電荷量。對(duì)采集的圖像進(jìn)行圖像分割和邊緣檢測(cè)才能有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別時(shí)可以色彩為識(shí)別依據(jù)。對(duì)于色彩的識(shí)別，Roberts算子是一種非常有效的方法，該算子可以檢測(cè)出灰度或者圖像中色彩比較突出的部位。色彩變化突出的部位一般梯度較大，假設(shè)通過(guò)采集得到的一幅圖像其色彩分布為f(x,y,λx,y)，對(duì)于一個(gè)像素點(diǎn)(x,y)，其色彩變化在x、y方向的表達(dá)式可以表示為

(2)

在數(shù)字圖像中，fx、fy可用x、y方向的差分(Δx,Δy)表示，即

(3)

(4)

其中，p、q為階數(shù)；s為整個(gè)圖像的區(qū)域，在進(jìn)行求解時(shí)需要借助圖像區(qū)域的零階矩和一階矩；在進(jìn)行定位時(shí)，圖像可以當(dāng)成二值圖來(lái)處理，即f(x,y)=1。這樣，零階矩m00可以表示為

(5)

零階矩就是圖像目標(biāo)區(qū)域的面積，其一階矩為

(6)

則區(qū)域的質(zhì)心(xc,yc)表示為

(7)

定位出目標(biāo)物體在一幅圖像中的位置后，就可以根據(jù)事先設(shè)定好的坐標(biāo)對(duì)物體進(jìn)行跟蹤。其中，硬件基本框架如圖3所示。

圖2 CCD圖像傳感器工作原理

圖3 基于DSP的圖像目標(biāo)識(shí)別硬件系統(tǒng)基本框架

利用DSP可以將CCD相機(jī)采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，還可以對(duì)視頻和圖像進(jìn)行處理，并將圖像和視頻信息利用CAN總線傳送給PC機(jī)，以便進(jìn)行處理和觀察。PC機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行分割和邊緣檢測(cè)后，計(jì)算出目標(biāo)的具體位置，然后發(fā)出指令傳輸給DSP處理器，DSP將指令發(fā)送給私服系統(tǒng)，控制采摘機(jī)器人的移動(dòng)。

圖4表示基于DSP的采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別的軟件流程。其中，圖像的傳輸和邊緣檢測(cè)都由DSP芯片協(xié)同完成，在識(shí)別出作物目標(biāo)后對(duì)其進(jìn)行定位，本次定位程序結(jié)束；如果沒(méi)有識(shí)別出目標(biāo)，則重新進(jìn)行圖像采集和傳輸，利用多套備用的圖像檢測(cè)算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，直到作物的目標(biāo)被準(zhǔn)確地識(shí)別出來(lái)，結(jié)束軟件流程。

3 基于DSP的移動(dòng)采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別視覺(jué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證DSP在移動(dòng)機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用的可行性，對(duì)基于DSP的視覺(jué)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中使用了DSP處理器、PC機(jī)及CCD攝像機(jī)采集設(shè)備，如圖5所示。

圖4 基于DSP的圖像目標(biāo)識(shí)別軟件流程

圖5 基于DSP的移動(dòng)采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)測(cè)試

本次主要對(duì)其視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試環(huán)境選擇黃瓜大棚作業(yè)環(huán)境，視覺(jué)系統(tǒng)安裝在采摘機(jī)器人上，如圖6所示。

采摘機(jī)器人安裝了自主行走裝置，并在黃瓜大棚的田壟間行走，主要采用視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)黃瓜圖像進(jìn)行采集。通過(guò)采集設(shè)備采集得到的高清圖像如圖7所示。

利用DSP處理器首先對(duì)圖像進(jìn)行處理，通過(guò)邊緣檢測(cè)技術(shù)對(duì)目標(biāo)特征進(jìn)行提取，得到了如圖8所示的處理結(jié)果。

圖6 采摘機(jī)器人實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

圖7 CCD高清圖像采集

圖8 圖像處理結(jié)果

通過(guò)DSP處理傳送給PC機(jī)，通過(guò)特征的提取可以得到目標(biāo)的輪廓，通過(guò)顏色的提取可以得到果實(shí)目標(biāo)的成熟度，從而準(zhǔn)確地識(shí)別待采摘果實(shí)。

由表1可知：采用DSP的移動(dòng)式采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確識(shí)別率較高，且用時(shí)較短，可以滿足高精度、快速定位果實(shí)目標(biāo)的需求，有效地提高了采摘機(jī)器人的自動(dòng)化程度。

表1 果實(shí)目標(biāo)成功識(shí)別和用時(shí)測(cè)試

4 結(jié)論

結(jié)合嵌入式DSP系統(tǒng)和圖像處理技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新的采摘機(jī)器人目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)采用DSP處理器直接對(duì)圖像特征進(jìn)行提取，并將提取的信息直接用于控制信息的反饋。對(duì)采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：采用DSP處理器可以直接對(duì)CCD采集到的黃瓜圖像進(jìn)行特征提取，且識(shí)別的準(zhǔn)確率和效率都較高。DSP的型號(hào)還有很多，不同型號(hào)對(duì)采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的影響還有待于進(jìn)一步的驗(yàn)證，通過(guò)不斷的測(cè)試發(fā)現(xiàn)更加小巧、輕便、高效的采摘機(jī)器人，使其具有更加廣闊的應(yīng)用前景。