錢晟，毛麗民，張亞飛，浦宇歡

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

中型組足球機(jī)器人抗干擾系統(tǒng)的研究

錢晟，毛麗民，張亞飛，浦宇歡

（常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江蘇常熟 215500）

提出了結(jié)合RGB和HSI色彩空間的顏色算法以減少光照干擾，基于HSI顏色模型對(duì)圖像進(jìn)行二值處理消除噪聲；根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，選取最佳方案消除場(chǎng)周圍的顏色干擾.實(shí)際運(yùn)行測(cè)試表明了該方法的有效性.

視覺系統(tǒng)；顏色模型；干擾

在中型組足球機(jī)器人系統(tǒng)中，視覺系統(tǒng)是一個(gè)至關(guān)重要的系統(tǒng).機(jī)器視覺就是用攝像機(jī)代替人眼來做測(cè)量和判斷.機(jī)器視覺系統(tǒng)將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給圖像處理系統(tǒng)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)[1]；圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作[2].本文對(duì)中型組足球機(jī)器人在比賽中可能遇到的若干種干擾因素進(jìn)行了分析，對(duì)視覺系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行研究并提出了改進(jìn)方法，使改進(jìn)后的視覺系統(tǒng)有較高的識(shí)別精度，并能減少環(huán)境的干擾.

1 光照抗干擾

1.1 HSI圖像處理

HSI圖像處理方法和流程見圖1.

1.2 圖像顏色空間模型

顏色空間模型是指某個(gè)三維顏色空間的一個(gè)可見光子集，里面包含了某個(gè)顏色域的所有顏色.顏色通常用三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的屬性來描述.三個(gè)獨(dú)立變量綜合作用，于是就構(gòu)成一個(gè)空間坐標(biāo)，也就是顏色空間.使用三個(gè)不同的屬性描述顏色就產(chǎn)生了不同的顏色空間.但被描述的顏色對(duì)象本身是客觀的，不同顏色空間只是從不同的角度去衡量同一個(gè)對(duì)象顏色空間.顏色空間按照基本結(jié)構(gòu)可以分兩大類，基色顏色空間和色、亮分離顏色空間.比較常用的有RGB空間、HSI空間[3].

圖1 HSI圖像處理流程圖

RGB（Red，Green，Blue）：按照光學(xué)理論，紅，綠，藍(lán)可以混合在一起得到絕大部分色彩，紅，綠，藍(lán)被稱為三原色，三原色是相互獨(dú)立的，其中任何一個(gè)原色都不能由另外兩種原色配出，這樣可以保證配色范圍是最大的，按照這一原理建立的色彩模型叫做RGB彩色模型，在應(yīng)用上即稱為RGB顏色空間[4].HSI：HSI彩色空間采用色度H，飽和度S，亮度I來表示像素顏色，即HSI顏色空間.這樣目標(biāo)的色度和亮度相互獨(dú)立，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提高[5].兩者的對(duì)比詳見表1.

1.3 顏色模型變換算法

給定一幅RGB彩色格式的圖像，每一個(gè)RGB像素和H、S、I分量可用下面的公式得到，其中R、G、B值的范圍在[0，1][6]：

式（1）中H分量是決定顏色的重要因素，當(dāng)它發(fā)生變化時(shí)，色調(diào)值也將變化.亮度I對(duì)應(yīng)成像亮度和圖像灰度，是顏色的明亮程度.首先亮度分量與色度分量是分開的，I分量與圖像的彩色信息無關(guān)，其次是H及S分量與人感受彩色的方式緊密相連（這里強(qiáng)調(diào)了顏色的重要性，因?yàn)槿藢?duì)光的感知還與I分量有關(guān)）.

HSI模型是比較合適的圖像處理空間，這樣可以避免光照帶來的干擾.攝像機(jī)采集的圖像為RGB模型，需要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)換[7].

表1 顏色空間對(duì)比

2 物體顏色雜質(zhì)抗干擾

2.1 二值處理

一幅圖像包括目標(biāo)物體、背景還有噪聲，要想從多值的數(shù)字圖像中直接提取出目標(biāo)物體，最常用的方法就是設(shè)定一個(gè)閾值T，用T將圖像的數(shù)據(jù)分成兩部分：大于T的像素群和小于T的像素群.這是研究灰度變換的最特殊的方法，稱為圖像的二值化.二值處理前后的圖像效果見圖2和圖3.

圖2 二值處理前圖像圖

圖3 二值處理后圖像

2.2 腐蝕處理

腐蝕和膨脹是兩個(gè)互為對(duì)偶的運(yùn)算[8].腐蝕是一種消除邊界點(diǎn)，使邊界向內(nèi)部收縮的過程.令A(yù)，B是離散歐幾里德Z2空間的子集，A為二值目標(biāo)，B為結(jié)構(gòu)元素，A被B腐蝕計(jì)為AΘB，定義為：

其中Bx表示B平移了矢量x后的變換.上式表明A用B腐蝕的結(jié)果是所有x的集合，其中B平移了矢量x后仍在A中.換句話說，用B來腐蝕A得到的集合B是完全包含在A中時(shí)B的原點(diǎn)位置的集合.

算法可總結(jié)為三點(diǎn)：（1）用3×3的結(jié)構(gòu)元素，掃描圖像的每一個(gè)像素.（2）用結(jié)構(gòu)元素與其覆蓋的二值圖像做“與”操作.（3）如果都為1，結(jié)果圖像的像素為1，否則為0.

對(duì)圖4進(jìn)行二值化處理，然后用結(jié)構(gòu)元素與二值圖像“與”操作，得出如圖5的效果.

2.3 顏色空間HSI閾值選取

把機(jī)器人放置于場(chǎng)地的中心、球門前的幾個(gè)位置，然后采集全景圖作為顏色標(biāo)定圖像，這些圖像包括了在此光照條件下各種顏色的分布情況，具有一定的代表性.將圖像在HSI色彩空間的顏色分布圖上用手動(dòng)的方法畫出一些方框，選定幾種感興趣的顏色的閾值范圍，包括球、綠色場(chǎng)地、白線等.手動(dòng)選取閾值過程見圖6.為了保證閾值的通用性，選擇了一個(gè)閾值之后，需要在其他幾幅圖像中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)反復(fù)調(diào)整閾值，直到對(duì)于大部分的標(biāo)定圖像都能識(shí)別出感興趣的顏色區(qū)域，并去除掉無關(guān)的顏色干擾.但是考慮到球和光照角度變化的影響，必須為閾值寬度保留適當(dāng)?shù)挠喽?

基于顏色信息在HSI空間采用閾值法分割目標(biāo)，主要是確定目標(biāo)區(qū)域的六個(gè)閾值，它們分別代表目標(biāo)區(qū)域顏色的H，S，I分量的最小閾值和最大閾值.

圖4 腐蝕處理前圖像

圖5 腐蝕處理后圖像

圖6 手動(dòng)選取閾值過程

在圖像區(qū)域中有一像素點(diǎn)a（Ha,Sa,Ia），可以利用下式進(jìn)行判斷：

如果符合（4）式的三個(gè)條件，可判定像素點(diǎn)a是目標(biāo)素點(diǎn).

3 場(chǎng)地周圍干擾

若周圍其他物體剛好和球的顏色相近也會(huì)產(chǎn)生干擾.例如在閾值標(biāo)定時(shí)，場(chǎng)外的紅色物體會(huì)與紅色球一起標(biāo)定起來，從而造成干擾.

足球機(jī)器人最主要的識(shí)別目標(biāo)是球，如果對(duì)球進(jìn)行顏色分割[9]，會(huì)需要較多時(shí)間，而且很難實(shí)現(xiàn).在比賽中，不管是球還是機(jī)器人都是運(yùn)動(dòng)的，這樣不能在合理的時(shí)間里檢測(cè)到目標(biāo)，會(huì)影響機(jī)器人的實(shí)時(shí)性要求.為了提高效率，對(duì)帶有球的圖像進(jìn)行分割的時(shí)候，采用分區(qū)種子擴(kuò)充法.

先把整幅圖像分為若干個(gè)子區(qū)域，以每個(gè)子區(qū)域的中心為基點(diǎn)，然后向四周擴(kuò)散.求取以長(zhǎng)方形中心點(diǎn)的方法來確定球的重心.

圖7為球的平面圖，取A為種子點(diǎn)，然后向上下左右四個(gè)方向進(jìn)行掃描，則得到A1，A2，A3，A4這4個(gè)邊界點(diǎn)，將這4個(gè)邊界點(diǎn)連起來形成一個(gè)長(zhǎng)方形，這個(gè)長(zhǎng)方形的中心點(diǎn)就是球的重心.子區(qū)域塊的大小一般以球的直徑的四分之一為邊界的正方形組成.在填充的同時(shí)也要計(jì)算處理色塊的重心，在確定邊界點(diǎn)時(shí)需考慮坐標(biāo)分布，若相對(duì)邊界點(diǎn)的距離超過球直徑的長(zhǎng)度，就說明是干擾點(diǎn).球的分割過程如圖8所示，從左往右，從上至下的網(wǎng)絡(luò)中心掃描像素點(diǎn)，找到目標(biāo)顏色后向四周擴(kuò)散.

圖7 球的平面圖

圖8 球的分割過程

圖9 RGB采集的圖片

圖10 經(jīng)過HSI轉(zhuǎn)化過后采集的圖片

圖11 綠色場(chǎng)地1

圖12 綠色場(chǎng)地2

圖13 球1

圖14 球2

4 測(cè)試結(jié)果

抗光照干擾測(cè)試：對(duì)比圖9和圖10可以看出，在直接從攝像機(jī)采集到的RGB圖像上，場(chǎng)地外的窗戶有陽光，場(chǎng)地中央也留有一束陽光，可以觀察到場(chǎng)地顏色有所失真，特別是場(chǎng)地白線和周圍白墻都有些偏綠，對(duì)稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的物體顏色偏差很大.而經(jīng)過轉(zhuǎn)換后采集的圖像就不同，同樣的干擾環(huán)境，圖像各物體顏色與人的肉眼所觀察到的基本一致，各物體顏色變化細(xì)微，滿足對(duì)光照問題的抗干擾要求.

對(duì)比圖11可看出，由于飽和度范圍的增加，綠色場(chǎng)地的標(biāo)定更加準(zhǔn)確.圖12在選取適當(dāng)?shù)腟閾值后能把圖11中有差異的場(chǎng)地顏色塊也標(biāo)定進(jìn)去.

由圖13可看出，標(biāo)定范圍過大，將有差異的色塊也標(biāo)定進(jìn)去增加識(shí)別度。圖14通過改變S閾值，從而避免了對(duì)識(shí)別球的外界干擾.理想的飽和度范圍應(yīng)該只標(biāo)定球場(chǎng)中的紅色球而不識(shí)別其他相近顏色物體.

如圖15、16所示，白色場(chǎng)線2通過調(diào)節(jié)H、S值把白色場(chǎng)線1中場(chǎng)線未標(biāo)到的地方也標(biāo)定進(jìn)去.

中型組足球機(jī)器人需要滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，在以上方法中最合適的就是利用坐標(biāo)來判斷是球還是干擾.對(duì)于足球機(jī)器人，根據(jù)其識(shí)別的球場(chǎng)線建立坐標(biāo)系，并確定球場(chǎng)的范圍，當(dāng)識(shí)別物的位置坐標(biāo)超過了球場(chǎng)的最大范圍即判斷為干擾，否則識(shí)別為球.根據(jù)比賽的規(guī)則，當(dāng)球出界，機(jī)器人會(huì)在邊線處停止，此時(shí)球也可視為干擾.

以旅行家Ⅲ中型組足球機(jī)器人為平臺(tái)，利用坐標(biāo)判斷球的方法在實(shí)際應(yīng)用中是可行的，對(duì)場(chǎng)外紅色能起到很好的抗干擾作用，即使在對(duì)球的閾值標(biāo)定時(shí)將其他紅色標(biāo)進(jìn)去也不受影響.

圖15 白色場(chǎng)線1

圖16 白色場(chǎng)線2

5 總結(jié)

中型組機(jī)器人在比賽中可能會(huì)遇到各種干擾因素，給視覺系統(tǒng)帶來不同的影響.通過RGB顏色模型對(duì)HSI顏色模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可減少光照強(qiáng)度變化和光照分布不均勻?qū)ο到y(tǒng)的影響.通過開運(yùn)算處理來解決目標(biāo)物體顏色雜質(zhì)所形成的干擾.通過實(shí)驗(yàn)，對(duì)圖像中綠色場(chǎng)地、白色場(chǎng)地、球等感興趣的顏色區(qū)域都能準(zhǔn)確識(shí)別出來.

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A Study of Medium-sized Group of Soccer Robots Anti-jamming System

QIAN Cheng,MAO Li-min,ZHANG Ya-fei,PU Yu-huan
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

The vision subsystem is one of the most important parts in the football robot system.The vision subsystem mainly includes real-time,accuracy and adaptability.This paper completes the anti-interference processing mainly from three aspects.The First is light interference.The paper uses a color extract algorithm which combines RGB color space and HSI color space.Using RGB color model to collect image,it is transformed into HSI color model immediately.The HSI color model is not sensitive to light,so it can be used for color calibration.The second is the color impurity.Based on the HSI color model,the picture is dealt with to eliminate the noise by erosion and dilation.The authors of this paper select the most appropriate spatial color model conversion to reduce impurities interference effects.The third is some color interference surrounding the match field. Some solutions have been reached in this paper.According to the actual environment,the best one is selected to eliminate environmental interference.The actual running tests show the effectiveness of the image process method.

vision system;color model;interference

TP368.1

B

1008-2794（2012）10-0095-05

2012-09-24

錢晟（1989—），男，江蘇常熟人，常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院自動(dòng)化專業(yè)2008級(jí)學(xué)生.

毛麗民（1981—），男，江蘇常熟人，講師，碩士，研究方向：機(jī)器人與目標(biāo)跟蹤研究，E-mail：maolimin_1981@163.com.