基于互聯(lián)網(wǎng)的攝像測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭俊俊，欣子豪，薛子盛，楊健

（常州大學(xué) 微電子與控制工程學(xué)院，江蘇常州，213016）

0 引言

機(jī)器視覺[1]是一門新興的學(xué)科，隨著電子信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善，在我們的日常生活中得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用[2]。機(jī)器視覺是計(jì)算機(jī)專業(yè)的一門核心基礎(chǔ)課程，該課程對(duì)于未來電子信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的深入發(fā)展起到了關(guān)鍵作用。為幫助計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生更好的學(xué)習(xí)相關(guān)課程知識(shí)，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單擺模型下的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)，可以作為計(jì)算機(jī)專業(yè)的綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目體現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的工程性、實(shí)現(xiàn)方法的多樣性、知識(shí)結(jié)構(gòu)的綜合性、實(shí)踐過程的探索性[4]。同時(shí)，本設(shè)計(jì)同時(shí)還將多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行融合，將已有知識(shí)與拓展知識(shí)融合[5]，大大拓展了學(xué)生的知識(shí)面。

本文設(shè)計(jì)的基于單擺模型的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)通過兩個(gè)相互垂直的攝像節(jié)點(diǎn)分別拍攝擺球運(yùn)動(dòng)軌跡，并通過以太網(wǎng)交換機(jī)與終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實(shí)時(shí)顯示拍攝視頻并測(cè)量單擺模型的長度l和角度θ。測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 硬件構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的基于單擺模型的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)是由工業(yè)相機(jī)、以太網(wǎng)交換機(jī)、TX-2處理器和顯示器等組成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括：圖像識(shí)別模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模塊、單擺長度計(jì)算模型、單擺角度計(jì)算模塊。圖像識(shí)別模塊利用圖像識(shí)別算法實(shí)時(shí)框出擺球位置。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模塊通過交換機(jī)向攝像機(jī)發(fā)送控制信息。單擺長度計(jì)算模型是根據(jù)單擺周期公式推算出擺長，單擺角度計(jì)算模塊通過構(gòu)建三維空間，捕捉激光筆軌跡平面來計(jì)算夾角。

■2.1 圖像識(shí)別模塊

在RGB空間圖像中，單擺圖像灰度值分布規(guī)律性不強(qiáng)，難以克服光照不均和環(huán)境噪聲的干擾，利用HSV空間[6]圖像中S分量圖像具有對(duì)光照干擾不敏感、抗光照不均能力較強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效地克服環(huán)境因素的影響，提高擺球的識(shí)別率。HSV是一種基于六角錐體將RGB色彩空間中的不同點(diǎn)之間的關(guān)系表示出來的方法模型，其描述的顏色感知關(guān)系準(zhǔn)確，計(jì)算簡單是一種直觀的、相互獨(dú)立的顏色。在HSV顏色模型中，包括3種不同的模型顏色空間：色調(diào)（H）、飽和度（S）、明度（V），廣泛地應(yīng)用在許多圖像編輯工具[7]。

為提高擺球的識(shí)別率，本系統(tǒng)將擺球涂成易于識(shí)別的紅色，方便HSV的通道分離，從而有效地提取出擺球位置信息。對(duì)分離出的紅色分量，設(shè)置合適的閾值進(jìn)行圖像二值化處理。為進(jìn)一步增強(qiáng)擺球的特征，將二值化后圖像中的高亮區(qū)域或白色部分進(jìn)行膨脹操作，使運(yùn)行結(jié)果圖比原圖的高亮區(qū)域更大，線條更粗，方便后續(xù)的識(shí)別。然后根據(jù)擺球的大小限定擺球邊緣輪廓，從而提取出擺球的邊緣。最后通過最小外接矩陣框出擺球的位置。其具體流程圖如圖3所示。

圖3 擺球識(shí)別流程圖

■2.2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模塊

終端節(jié)點(diǎn)即主控設(shè)備，用于通過交換機(jī)向兩個(gè)攝像節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送控制信息；控制信息包括：時(shí)間戳、啟動(dòng)指令或終止指令；對(duì)應(yīng)兩個(gè)攝像節(jié)點(diǎn)的控制信息中的等待時(shí)刻之間的時(shí)刻差與兩個(gè)攝像節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)延差相適配；對(duì)應(yīng)設(shè)置兩個(gè)攝像節(jié)點(diǎn)內(nèi)的兩個(gè)協(xié)同操作設(shè)備，用于分別接收來自主控設(shè)備的控制信息并根據(jù)各自的控制信息分別執(zhí)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)控制，以使兩個(gè)攝像節(jié)點(diǎn)設(shè)備完成協(xié)同操作。協(xié)調(diào)控制包括：將對(duì)應(yīng)的攝像節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)間戳設(shè)定為對(duì)應(yīng)的控制信息中的時(shí)間戳；啟動(dòng)計(jì)時(shí)使其和控制信息中等待時(shí)刻相一致；在計(jì)時(shí)結(jié)束后執(zhí)行對(duì)應(yīng)的控制信息中的操作指令。網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模塊的工作原理如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同模塊工作原理

■2.3 單擺長度計(jì)算模塊

2.3.1 單擺長度計(jì)算

單擺模型如圖5所示，記單擺擺球質(zhì)量為m，擺線長度為l，擺動(dòng)過程中偏離豎直方向的夾角為γ，擺球運(yùn)動(dòng)速度為v。擺球在運(yùn)動(dòng)過程中受到重力mg和繩子的張力T。取如圖5所示的二維坐標(biāo)系，張力T可以分解為垂直和水平方向的兩個(gè)力[8]。根據(jù)牛頓第二定律F=ma，可以列出重物在x和y兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)方程，其中x方向的微分方程如公式（1）所示：

圖5 單擺平面圖

2.3.2 軟件流程

其為實(shí)現(xiàn)單擺長度的計(jì)算，具體軟件流程圖如圖6所示。

圖6 長度計(jì)算流程圖

通過圖像識(shí)別模塊得到擺球的位置信息，通過前后圖像對(duì)比判斷擺球是否運(yùn)動(dòng)，防止輕微擺動(dòng)引起的誤差。當(dāng)擺球擺動(dòng)超過一定幅度時(shí)，通過設(shè)置以中垂線為準(zhǔn)線，計(jì)算擺球到達(dá)中垂線的時(shí)間間隔，從而求出單擺周期T。多次測(cè)量，并去除因瞬時(shí)捕捉或其他因素導(dǎo)致異常數(shù)據(jù)，最后將多次測(cè)量的數(shù)據(jù)求平均值再代入公式（8）求出單擺的長度l。

■2.4 單擺角度計(jì)算模塊

2.4.1 單擺角度計(jì)算

以攝像機(jī)采集的圖像左下角為原點(diǎn) 0O建立以像素為單位的直角坐標(biāo)系u-v（像素坐標(biāo)系），如圖7所示。其中像素的橫坐標(biāo)u對(duì)應(yīng)圖像的行數(shù)，縱坐標(biāo)v代表圖像的列數(shù)。

圖7 圖像坐標(biāo)系

同時(shí)建立以物理單位表示的圖像坐標(biāo)系x-y。將相機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)即圖像平面的中心處為坐標(biāo)系的原點(diǎn)O1，且x軸與u軸平行，y軸與v軸平行。假設(shè)(u0,v0)代表O1在u-v坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，dx與dy分別表示每個(gè)像素在橫軸x和縱軸y上的物理尺寸[9]，則圖像中的每個(gè)像素在u-v坐標(biāo)系中的坐標(biāo)和在x-y坐標(biāo)系中的坐標(biāo)之間都存在如下的關(guān)系：

dx與dy可以通過測(cè)量已知長度的物體在像素坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的像素?cái)?shù)量計(jì)算出來。

2.4.2 軟件流程

由圖1中的模型建立三維坐標(biāo)軸來計(jì)算單擺的角度，其三維圖如圖8所示。由攝像節(jié)點(diǎn)A與攝像節(jié)點(diǎn)B交點(diǎn)為三維坐標(biāo)的基點(diǎn)O。以O(shè)A直線為X軸、以O(shè)B直線為Y軸、通過O點(diǎn)并垂直于水平面的直線為Z軸構(gòu)建三維空間，捕捉擺球在空間內(nèi)的軌跡判斷擺球擺動(dòng)平面并計(jì)算與XOY面的夾角θ。具體流程圖如圖9所示。

圖8 單擺三維圖

圖9 角度計(jì)算流程圖

當(dāng)擺球靜止時(shí)記錄擺球的初始位置，因?yàn)樵谙嗤瑮l件下45°和135°分解到在平面里面的擺動(dòng)是一樣的，通過初始擺動(dòng)的方向來決定擺球的夾角。當(dāng)擺球開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過圖像識(shí)別模塊得到擺球擺動(dòng)信息，根據(jù)上述擺球運(yùn)動(dòng)的三維模型進(jìn)行分解?？梢缘玫綌[球在相機(jī)A和B中的圖像坐標(biāo)。由于相機(jī)擺放是沿著中軸線放置，所以分別計(jì)算相機(jī)A和B距離畫面中軸線的像素?cái)?shù)，由公式（10）可以推算出擺球到OA線的投影距離x1。相機(jī)B同理，可以推算出擺球到OB線的距離x2。根據(jù)勾股定理可以求出擺球的夾角為：

針對(duì)實(shí)際測(cè)量過程中存在的誤差，利用卡爾曼濾波對(duì)離散值進(jìn)行濾波，以減少誤差。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為驗(yàn)證基于單擺模型的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，本文搭建了如圖10所示的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為了實(shí)驗(yàn)測(cè)量單擺長度的準(zhǔn)確性，本文選取了在固定角度下，對(duì)不同長度的單擺進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 固定角度下長度測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1中可以看出在相同角度的情況下，分別測(cè)量了長度為60、80、120、140cm的單擺長度，其誤差都在1±cm以內(nèi)。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的基于單擺模型的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出單擺的長度。

同時(shí)，為驗(yàn)證測(cè)量角度的準(zhǔn)確性，選取了在固定長度下不同角度進(jìn)行測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 固定長度下角度測(cè)試數(shù)據(jù)

從表2中可以看出在相同長度的情況下，分別測(cè)量了角度為20°、40°、60°、90°的單擺角度，其誤差都在±1°以內(nèi)。結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的基于單擺模型的互聯(lián)網(wǎng)攝像測(cè)量系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出單擺的角度。

4 總結(jié)

基于互聯(lián)網(wǎng)的攝像測(cè)量系統(tǒng)將圖像處理算法、單擺物理模型及硬件處理單元等知識(shí)融合應(yīng)用，具有一定的工程特性。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生將碎片化的理論知識(shí)融會(huì)貫通，促進(jìn)了知識(shí)的內(nèi)化；將計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、機(jī)器視覺等多門學(xué)科知識(shí)在項(xiàng)目中綜合應(yīng)用，提高了學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用能力；在視覺實(shí)驗(yàn)中，需考慮光照、背景等相關(guān)環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，通過算法的對(duì)比和改進(jìn)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)算法的同時(shí)，提高算法的魯棒性，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力、動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力。項(xiàng)目按方案設(shè)計(jì)、理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)調(diào)試實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)了學(xué)生的工程思維，可以有效提高學(xué)生的項(xiàng)目處理能力。該項(xiàng)目在課程中的成功應(yīng)用，為其他課程開展項(xiàng)目化教學(xué)，提供了借鑒。