楊杰

摘 要 通過(guò)對(duì)NAO機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)的介紹，利用NAO機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)紅球目標(biāo)的識(shí)別以及目標(biāo)追蹤策略的判斷和選擇。詳細(xì)介紹了機(jī)器人對(duì)目標(biāo)紅球的識(shí)別和處理過(guò)程，并對(duì)機(jī)器人單目測(cè)距追蹤策略和視野中心法追蹤策略以及兩種方法的對(duì)比，得出結(jié)論是視野中心法在實(shí)際應(yīng)用中更適合。

關(guān)鍵詞 NAO機(jī)器人 目標(biāo)識(shí)別 定位

中圖分類(lèi)號(hào)：TP249 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入類(lèi)人機(jī)器人的發(fā)展階段，機(jī)器人越來(lái)越像人，也越來(lái)越能夠像人一樣進(jìn)行一些動(dòng)作，執(zhí)行一些工作。其中由法國(guó)Aldebaran Robotics公司開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的NAO機(jī)器人是一款著名的類(lèi)人機(jī)器人，其外形與人類(lèi)相似，并且NAO機(jī)器人具有等同一歲到兩歲嬰兒的智力水平，能夠執(zhí)行相對(duì)復(fù)雜的指令和任務(wù)。因此，NAO機(jī)器人在機(jī)器人比賽中的應(yīng)用也越來(lái)越多，從而機(jī)器人的視覺(jué)識(shí)別特別是對(duì)特定顏色物體的識(shí)別和定位就成為一個(gè)在比賽中亟待解決的關(guān)鍵性問(wèn)題。

1 NAO機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)介紹

機(jī)器人對(duì)外部世界的最初的感知是通過(guò)觸覺(jué)、聲音和視覺(jué)認(rèn)知。在視覺(jué)認(rèn)知上，NAO機(jī)器人擁有兩個(gè)高清攝像頭。其中一個(gè)攝像頭位于機(jī)器人前額，拍攝其前方遠(yuǎn)處的水平畫(huà)面，感知誤差比較大。另一個(gè)位于嘴部，用于掃描周?chē)h(huán)境，用于識(shí)別近處的物體。NAO機(jī)器人利用這兩個(gè)攝像頭可以跟蹤、學(xué)習(xí)并識(shí)別不同的圖像。NAO機(jī)器人的這兩個(gè)攝像頭均可以提供高達(dá)640*480像素和每秒30幀的視頻圖像。

通過(guò)視覺(jué)軟件，可以再現(xiàn)NAO機(jī)器人看到的圖片及視頻流。機(jī)器人通過(guò)ALVideoDevice模塊訪問(wèn)攝像頭的數(shù)據(jù)，NAO可以將視頻輸入模塊（VideoInputModuleVIM）獲取的視頻流應(yīng)用到其他的視覺(jué)系統(tǒng)模塊進(jìn)行處理，這些視頻流可以由從NAO機(jī)器人的攝像頭獲得，也可以由電腦上的模擬器獲得，甚至從某個(gè)視頻記錄的視頻文件中得到。通過(guò)VIM，不僅能夠直接還原視頻的原始數(shù)據(jù)，也能夠訪問(wèn)經(jīng)過(guò)處理的顏色空間數(shù)據(jù)。本文通過(guò)NAO機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)采集一副圖像進(jìn)行紅球顏色識(shí)別并定位。

2 NAO機(jī)器人對(duì)顏色球的識(shí)別

通過(guò)NAO機(jī)器人的下部攝像頭，采集視覺(jué)信息，當(dāng)紅球顏色與背景顏色相差較大時(shí)，設(shè)定相應(yīng)的色彩閾值（245€？0，10€？0，10€？0），過(guò)濾背景中的其他內(nèi)容，只識(shí)別出目標(biāo)球的顏色。

通過(guò)NAO機(jī)器人的視頻系統(tǒng)，采集一幅640*480像素大小的圖像，將其分割為16*20像素的方形像素塊。從而利用二維數(shù)組存儲(chǔ)每個(gè)方形像素塊內(nèi)的像素點(diǎn)。掃描像素塊內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)，當(dāng)像素點(diǎn)的RGB三個(gè)分量的值滿足設(shè)定的色彩閾值時(shí)，就認(rèn)為該像素點(diǎn)是一個(gè)紅色的像素點(diǎn)，保存為（255，255，255）；不滿足色彩閾值時(shí)保存為（0，0，0）。結(jié)果預(yù)處理后，采用高斯平滑，得到一張只有黑白兩個(gè)顏色的二值圖，此時(shí)乒乓球即以白色顯示，其他干擾的背景均為黑色。實(shí)際效果如圖1所示：

利用得到的二值圖數(shù)據(jù)，利用遍歷各行各列像素點(diǎn)的數(shù)值，計(jì)算出紅球的球心像素坐標(biāo)即為球心坐標(biāo)。

3 NAO機(jī)器人對(duì)顏色球的定位測(cè)距

機(jī)器人對(duì)目標(biāo)的跟蹤測(cè)距的方法一般有：雙目測(cè)距和單目測(cè)距。

雙目測(cè)距的主要原理是利用位于不同位置，但有重復(fù)的視角的兩個(gè)攝像頭同時(shí)進(jìn)行拍攝。對(duì)得到的兩張圖片進(jìn)行校正和變換，識(shí)別出位于兩張圖片中的目標(biāo)，分別得到對(duì)應(yīng)的參數(shù)。然后根據(jù)幾何關(guān)系推導(dǎo)出目標(biāo)和機(jī)器人的距離。

雙目測(cè)距的測(cè)量精確度較高，但計(jì)算過(guò)程復(fù)雜，對(duì)圖像的校正和變換處理要求高。對(duì)于NAO機(jī)器人來(lái)說(shuō)，雙目測(cè)距還存在一個(gè)問(wèn)題，即上下兩個(gè)攝像頭的重合區(qū)域較小，會(huì)導(dǎo)致可用測(cè)距范圍小，并且機(jī)器人兩個(gè)攝像頭之間無(wú)法頻繁的進(jìn)行切換。

單目測(cè)距的原理比較簡(jiǎn)單，根據(jù)如圖所示的相似三角形的比例關(guān)系就可以計(jì)算出機(jī)器人與目標(biāo)之間的距離Z。

單目測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，容易的得到機(jī)器人與目標(biāo)球之間的距離。但是如果在機(jī)器人移動(dòng)頭部對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)球的過(guò)程中，機(jī)器人前一個(gè)指令沒(méi)有完成，這時(shí)機(jī)器人會(huì)繼續(xù)執(zhí)行前一條指令直到該條指令執(zhí)行完畢，然后才能發(fā)現(xiàn)紅球的位置發(fā)生的變動(dòng)，這樣需要重新進(jìn)行紅球識(shí)別和測(cè)量。這樣紅球距離機(jī)器人的距離就會(huì)越來(lái)越大。因此本文提出了一種視覺(jué)中心法的追蹤策略。也就是說(shuō)，通過(guò)對(duì)機(jī)器人頭部的控制，使得目標(biāo)紅球一直處于機(jī)器人的視覺(jué)中心。

在現(xiàn)實(shí)生活中，當(dāng)一個(gè)人發(fā)現(xiàn)一個(gè)目標(biāo)后，一般會(huì)將頭部（視線）轉(zhuǎn)向目標(biāo)，繼續(xù)后續(xù)動(dòng)作。如果目標(biāo)位置發(fā)生變化，頭部或眼睛也會(huì)跟著紅球移動(dòng)，以便一直注視紅球的移動(dòng)情況。基于這個(gè)啟發(fā)本文介紹一種新的定位方法，使得被跟蹤的物體一直保持在視野中心。

在NAO機(jī)器人攝像頭參數(shù)中，機(jī)器人水平視野范圍是€？7.8o，垂直視野范圍是€？6.8o。通過(guò)前面的測(cè)量，已經(jīng)得到了目標(biāo)紅球的坐標(biāo)（x，y）和紅球的半徑r。在進(jìn)行圖像采集時(shí)，目標(biāo)圖像大小為640*480像素，圖像中心或者視野中心坐標(biāo)定位為（320，240），通過(guò)簡(jiǎn)單的三角關(guān)系即可求出目標(biāo)紅球和圖像中心點(diǎn)之間的水平偏角 以及垂直偏角 。機(jī)器人視野如圖所示。

如果機(jī)器人攝像頭與機(jī)器人視野中心點(diǎn)的距離為l，由三角關(guān)系可得到如下公式：

由于目標(biāo)紅球的坐標(biāo)（x，y）已知，由公式（1）可以求出目標(biāo)紅球在機(jī)器人視野的水平偏角 。

同理，通過(guò)公式可以求出目標(biāo)紅球在機(jī)器人視野的垂直偏角 。

將水平偏角 和垂直偏角 分別輸入到NAOqi API的WalkTo（x，y， ）函數(shù)和控制NAO頭部角度的HeadPitch關(guān)節(jié)值中，就可以使機(jī)器人和機(jī)器人頭部始終朝著目標(biāo)紅球的方向移動(dòng)，并且保持機(jī)器人頭部一直正對(duì)目標(biāo)紅球，使得目標(biāo)紅球保持在機(jī)器人視野正中心。

機(jī)器人單目測(cè)距追蹤可以直接得到機(jī)器人與目標(biāo)紅球之間的距離，但這種得到距離的方式的靜態(tài)的。隨著時(shí)間的流逝，機(jī)器人與目標(biāo)紅球之間的距離會(huì)越來(lái)越大。而如果采用動(dòng)態(tài)的追蹤，使紅球目標(biāo)一直保持在視野中心，雖然無(wú)法直接測(cè)量出目標(biāo)距離，而且計(jì)算量相對(duì)較大，但是實(shí)際效果比較優(yōu)秀，經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人總會(huì)保持在離目標(biāo)紅球前方2-5cm處，而且使其頭部一直正對(duì)目標(biāo)紅球。

4結(jié)論

隨著智能機(jī)器人在生活、比賽和教學(xué)中的應(yīng)用的增多，希望智能機(jī)器人能夠更加貼近人類(lèi)的生活，能夠更加多的為人類(lèi)服務(wù)，因此對(duì)智能機(jī)器人的要求也越來(lái)越高。通過(guò)NAO機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)，介紹了機(jī)器視野中心法，使得機(jī)器人能夠?qū)μ囟繕?biāo)實(shí)現(xiàn)快速的識(shí)別和跟蹤，并且保持機(jī)器人視野中心一直對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)物。從而為機(jī)器人后續(xù)的相關(guān)動(dòng)作和判斷提供了基礎(chǔ)。

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