李震 鄭建寶 朱振馳 林耀聰

摘要：該文提出一種基于運(yùn)動(dòng)物體DBT（detect before track）背景消除法識(shí)別紅外小目標(biāo)，并將其應(yīng)用于空中鼠標(biāo)中。實(shí)驗(yàn)主要經(jīng)過(guò)色彩空間轉(zhuǎn)換、閾值分割、圖像開運(yùn)算、連通分析后進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，并通過(guò)攝像頭標(biāo)定獲取識(shí)別目標(biāo)在視野中的相對(duì)位置。通過(guò)單片機(jī)以及2.4G通信模塊，將除位置信息以外的控制信息傳遞到電腦。以電腦進(jìn)行位置運(yùn)算，單片機(jī)進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案識(shí)別的目標(biāo)精度較高，價(jià)格低廉，具有一定應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 紅外小目標(biāo)識(shí)別； 圖像處理； 攝像頭；空中鼠標(biāo)， Matlab

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）05-1021-03

Air Mouse Solution Based on the IR Small Target Recognize

LI Zheng，ZHENG Jian-bao，ZHU Zhen-chi，LIN Yao-cong

（South China Agricultural University，College of Engineering，Guangzhou 510642，China）

Abstract： In this paper， we have proposed one method to identify the infrared small target based on moving object DBT （detect before track） background elimination， and applied it to the air mouse. The target is recognized mainly through the steps below： color space conversion， threshold segmentation， image open operation， connection area analysis， and then identify the target relative position in the field of vision captured .By MCU（micro-controller unit） and 2.4G communication module， the control information will be transmitted to the computer. Recognized the position by computer and control by the MCU. The result shows that the proposed scheme has higher target accuracy， lower price and a certain application prospect.

Key words： IR small target recognition， Image Process， Camera， Air Mouse， Matlab

1 概述

鼠標(biāo)在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一直有著深遠(yuǎn)的影響，鼠標(biāo)的發(fā)展從有線的機(jī)械滾輪鼠標(biāo)、光電鼠標(biāo)到無(wú)線鼠標(biāo)的誕生?？罩惺髽?biāo)作為一種全新的理念走進(jìn)人們的身活中，它能像傳統(tǒng)鼠標(biāo)一樣操作屏幕光標(biāo)，但卻不需要放在任何平面上，在空中晃動(dòng)就能直接使用。自由方便是它的特性，例如在辦公領(lǐng)域可以當(dāng)作簡(jiǎn)報(bào)筆，讓做PPT演示的人員不再需要坐在會(huì)議桌上擺弄電腦，就可以遙控操作；在家用娛樂(lè)上配合電視或者HTPC在客廳使用。

目前市場(chǎng)上存在的空中鼠標(biāo)解決主要有兩種，其一是通過(guò)螺旋儀對(duì)空中鼠標(biāo)移動(dòng)的空間角度進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)大量算法進(jìn)行處理，該方案缺點(diǎn)比較明顯，鼠標(biāo)移動(dòng)是并不能真正按照人的意愿工作，而在鼠標(biāo)橫向勻速運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題上面也沒有得到解決；另一種解決方案是基于紅外（IR）圖像處理，其原理是用圖像傳感器（CMOS Image Sensor）來(lái)捕捉紅外圖像，利用圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)計(jì)算運(yùn)動(dòng)物體位置信息，并通過(guò)單片機(jī)傳遞單、雙擊等多種控制信息，從而控制屏幕光標(biāo)。其位置信息與控制信息均由單片機(jī)負(fù)責(zé)傳遞，受限于單片機(jī)的性能該方案的處理效率較低。

本文提出一種電腦攝像頭捕獲圖像信息并進(jìn)行處理，單片機(jī)負(fù)責(zé)傳遞控制信息的空中鼠標(biāo)方案。受益于電腦的運(yùn)算能力，圖像識(shí)別的精度以及效率都得到較大提高。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)軟件基于Matlab平臺(tái)，所用到Matlab的工具箱有圖像處理工具箱（IPT）、GUIDE圖形界面編輯器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱。軟件設(shè)計(jì)包括：圖像獲??；圖像處理和識(shí)別（分類）；圖形用戶界面。

2.1 圖像獲取

Matlab可對(duì)已裝驅(qū)動(dòng)的攝像頭進(jìn)行啟動(dòng)和控制。利用一些圖像獲取函數(shù)，我們可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的控制，定時(shí)抓拍和手動(dòng)抓拍。圖像獲取主要包括以下操作：查詢USB2.0攝像頭的具體參數(shù)（imaqhwinfo）；創(chuàng)建視頻輸入對(duì)象（videoinput）；圖像預(yù)覽和顯示（preview、stoppreview、closepreview和image）；獲取視頻圖像（getsnapshot）；圖像獲取設(shè)備的獲取和設(shè)置（get和set）；關(guān)閉視頻對(duì)象（delete）。

2.2 圖像處理

2.2.1 圖像處理流程

圖像處理模塊主要完成對(duì)紅外小目標(biāo)的獲取以及識(shí)別。由于目標(biāo)小，可能僅為幾個(gè)到十個(gè)個(gè)像素，時(shí)常表現(xiàn)為孤點(diǎn)或斑點(diǎn)，而且目標(biāo)為光源，容易受到周圍光環(huán)境影響。經(jīng)過(guò)對(duì)比光流法、偵差分法以及DBT（detect before track）背景消除法三種方法的優(yōu)劣以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果，我們決定選用基于基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波的DBT背景消除法。

DBT背景消除法主要流程如圖1所示：

圖1 DBT背景消除法

輸入至中值濾波各步驟處理結(jié)果如圖2所示：

（a）原圖 （b）灰度圖

（c）自動(dòng)閾值分割 （d）利用中值濾波做平滑處理

圖2 輸入原圖至中指濾波各步驟處理結(jié)果

2.2.2 圖像開運(yùn)算

利用圖像開運(yùn)算做背景估計(jì)：

通過(guò)選取合適的結(jié)構(gòu)元素對(duì)紅外圖象進(jìn)行開運(yùn)算就可以去除小目標(biāo)，使圖像中只剩下背景。

背景估計(jì)=[（f?g）（x，y）]。背景提取結(jié)果如圖3所示：

圖3 背景提取結(jié)果

2.2.3 目標(biāo)特征提取并作連通量分析

圓形性C是是對(duì)一個(gè)區(qū)域R所有邊界點(diǎn)定義的特征量：[C=μRσR]，其中[μR]為區(qū)域重心到邊界[σR]點(diǎn)的平均距離，為區(qū)域重心到邊界點(diǎn)的距離的均方差，且：

當(dāng)R趨向于原型是，特征量C是單增趨向無(wú)窮的，不受區(qū)域評(píng)議、旋轉(zhuǎn)和尺度變化的影響。目標(biāo)提取后作連通量分析結(jié)果如圖4所示：

（a）目標(biāo)提取結(jié)果 （b）連通量分析結(jié)果

圖4 目標(biāo)提取、連通量分析結(jié)果

2.2.4 目標(biāo)坐標(biāo)確定

通過(guò)獲取目標(biāo)質(zhì)心，并計(jì)算目標(biāo)質(zhì)心在攝像頭獲取的圖像中的x坐標(biāo)與y坐標(biāo)，從而映射到電腦屏幕的對(duì)應(yīng)位置，并驅(qū)動(dòng)鼠標(biāo)移動(dòng)至對(duì)應(yīng)位置。其基本界面如圖5所示：

圖5 基本界面設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分負(fù)責(zé)發(fā)射紅外光，并且將鼠標(biāo)的控制信息傳遞至電腦中。主要包括硬件控制電路以及通信電路。

3.1 MSC-51（AT89S51）單片機(jī)控制模塊

本實(shí)驗(yàn)采用MSC-51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)處理的控制部分，由于51單片機(jī)沒有SPI借口，需要在端口上模擬SPI時(shí)序。單片機(jī)主要用于無(wú)線發(fā)射模塊的控制與相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。單片機(jī)同時(shí)與按鍵連接，便于使用按鍵模擬鼠標(biāo)左右單擊。

3.2 2.4G無(wú)線通信模塊

通信部分使用無(wú)線通信的2.4G技術(shù)，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學(xué)、 醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間。所以簡(jiǎn)稱為2.4G無(wú)線技術(shù)。這個(gè)頻段里屬國(guó)際規(guī)定的免費(fèi)頻段，不需向國(guó)際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用的，為技術(shù)可發(fā)展性提供了有利條件。

相比藍(lán)牙以及27MHz這三種常用的無(wú)線傳輸技術(shù)，2.4G有著自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)所在。相比藍(lán)牙它的產(chǎn)品制造成本更低，提供的數(shù)據(jù)傳輸速率更高。相比同樣免費(fèi)的27MHz無(wú)線技術(shù)它的抗干擾性、最大傳輸距離以及功耗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。

本項(xiàng)目使用nRF24L01的2.4G無(wú)線收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的通信。其連接流程圖如圖6所示：

圖6 基本界面設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文研究紅外小目標(biāo)識(shí)別在空中鼠標(biāo)中的應(yīng)用，并提出了一種電腦端進(jìn)行位置計(jì)算，外設(shè)進(jìn)行鼠標(biāo)控制的方案。實(shí)驗(yàn)證明，基于DBT的背景消除法對(duì)紅外小目標(biāo)識(shí)別的精度較高，且電腦端進(jìn)行運(yùn)算能有效地提高效率。然而本文研究基于Matlab平臺(tái)，且依賴于電腦攝像頭進(jìn)行視頻采集，對(duì)所有電腦的適用性需要進(jìn)一步研究。 （下轉(zhuǎn)第1035頁(yè)）

（上接第1023頁(yè)）

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