劉歡

（廣州市機(jī)電高級技工學(xué)校 廣東省廣州市 510000）

1 前言

世界技能大賽是國際最高水平的職業(yè)競技賽事,在第45 屆世界技能大賽移動機(jī)器人項(xiàng)目中，廣州市機(jī)電高級技工學(xué)校胡耿軍同學(xué)與搭檔云南技師學(xué)院鄭棋元同學(xué)代表國家隊(duì)，力壓該項(xiàng)目五連冠得主韓國隊(duì)，奪得 “移動機(jī)器人”項(xiàng)目首枚金牌。世賽移動機(jī)器人項(xiàng)目涵蓋機(jī)械、電子、電氣、傳感器、電力拖動、自動控制、機(jī)器視覺、語音交互等多學(xué)科內(nèi)容，其中機(jī)器視覺處理系統(tǒng)是完成相關(guān)競賽內(nèi)容的關(guān)鍵，本文旨在研究使用LabVIEW VisionAssistant 視覺處理助手編寫顏色識別系統(tǒng)程序?qū)Ω傎悎龅厣细郀柗蚯驁D像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用不同顏色高爾夫球所存在的顏色差異，將比賽用紅、黃、藍(lán)、綠四種顏色高爾夫球進(jìn)行區(qū)分并計(jì)算出相應(yīng)高爾夫球的面積。

2 顏色模型的選定

LabVIEW VisionAssistant 視覺處理助手彩色圖形顯示和處理功能包含RGB,HSL,HSV,HIS 四種模式，本文研究采用HSL（H：色調(diào)、S：飽和度、L：亮度） 顏色模型。如圖 1 所示，色相（Hue）是色彩的基本屬性（如紅、黃等顏色）； 飽和度（Saturation）是指色彩的飽和度，取0-100%的數(shù)值，越高色彩越鮮艷，越低則逐漸變灰；亮度（Luminance）以及圖像的明暗程度，取0-100%。傳統(tǒng)RGB顏色模型通過對紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色的變化以及相互疊加來得到不同顏色。

RGB、HSL 顏色模型具有下區(qū)別：

（1）RGB 顏色模型適用于機(jī)器采樣，HSL 顏色模型更貼近人類的直觀感覺；

（2） HSL 顏色模型可通過RGB 顏色模型紅色（R）、綠色（G）和藍(lán)色（B）三原色“加法原色”簡單變換而來；

（3）HSL 顏色模型亮度分量與圖像的彩色信息無關(guān)。

這些特征使得 HSL 顏色模型成為一個(gè)理想的圖像處理模型。由于通過攝像頭采集到的圖像是RGB 類型，所以需要將其顏色模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換。可通過在 RGB 空間R, G 和B 的坐標(biāo)的變換得到HSL空間中的 (h,s,l)值。設(shè) (r, g, b) 為某顏色的紅、綠和藍(lán)三原色坐標(biāo)，為在 0 到 1 之間的實(shí)數(shù)。r,g 和b 坐標(biāo)值中最大者設(shè)為max，最小者設(shè)為min。計(jì)算HSL 空間中(h,s,l)坐標(biāo)值， 其中色相角h∈[0, 360）， s（飽和度）,l（亮度）∈ [0,1]，計(jì)算公式如下：

圖1：HSL 顏色模型

圖2：前面板畫面

圖3：源程序框圖

3 系統(tǒng)硬件組成

世賽移動機(jī)器人項(xiàng)目硬件組成由加拿大Studica 公司提供的 World Skills Mobile Robotics Collection——WSMR19 官方套件搭建而成，圖像采集裝置是分辨率為1280X720 的微軟lifecam 相機(jī)， NI-myRIO-1900 作為視覺處理器，因競賽技術(shù)要求lifecam 相機(jī)不能外置光源，圖像采集數(shù)據(jù)受外界光線影響大，閾值調(diào)試精度要求較高。NI-myRIO-1900 控制器既能運(yùn)行NI 視覺算法，又能夠直接對采集圖像進(jìn)行分析處理。該控制器可以使用圖形化界面軟件LabVIEW 開發(fā)，又可采用C/C++程式語言設(shè)計(jì)出多元化應(yīng)用程式的開發(fā)環(huán)境。

4 系統(tǒng)顏色識別軟件設(shè)計(jì)

本文研究視覺處理系統(tǒng)采用 LabVIEW 2017 軟件作為編程工具，該系統(tǒng)程序前面板畫面如圖2 所示。界面簡潔、美觀、數(shù)據(jù)流向清晰，在前面板中，右側(cè)顯示實(shí)時(shí)采集到的物體圖像，左側(cè)顯示采集到的圖像經(jīng)過一系列運(yùn)算處理后的結(jié)果圖，主要顯示了視野中高爾夫球的顏色、面積、粒子尺寸等信息，停止按鈕采用事件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用來暫停程序運(yùn)行，具有指令響應(yīng)時(shí)間快，系統(tǒng)穩(wěn)定以及操作方便等特點(diǎn)。

由于世界技能大賽統(tǒng)一套件功能限制，攝像頭分辨率較低且不允許增加外部光源，所以本文視覺系統(tǒng)采集到的圖像含有各種隨機(jī)噪聲，又因光照和外界環(huán)境變化帶來的干擾，因此必須對采集到的圖像進(jìn)行各種處理。采集到的圖像經(jīng)重新取樣、HSL 顏色閾值抽取、粒子分析、相關(guān)數(shù)組索引等數(shù)據(jù)處理手段實(shí)現(xiàn)了視野中高爾夫球的顏色分辨及面積計(jì)算等功能。主程序框架使用While 循環(huán)嵌套For 循環(huán)的結(jié)構(gòu)，保證了主程序數(shù)據(jù)流的實(shí)時(shí)采集處理，停止按鈕和While 循環(huán)結(jié)構(gòu)的條件接線端相連可隨時(shí)停止程序運(yùn)行，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。主程序模塊中重新取樣程序塊將采集到的圖像重新定義大小，HSL 顏色閾值抽取程序塊通過對目標(biāo)顏色（紅、黃、藍(lán)、綠四色）區(qū)間閾值重設(shè)分離出目標(biāo)閾值范圍，去除了圖像中不需要的特征及噪聲，同時(shí)通過抽選粒子分析程序塊中顆粒面積，報(bào)告數(shù)據(jù)內(nèi)容并經(jīng)相關(guān)邏輯運(yùn)算得到目標(biāo)顏色面積尺寸。本文研究視覺處理系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行視覺采集，外界環(huán)境干擾較少，因此采集視覺圖像未加入形態(tài)處理，若在復(fù)雜環(huán)境中采集視覺圖像，除本文研究的常規(guī)處理外還應(yīng)加入圖像顏色模型轉(zhuǎn)換、圖像二值化處理、腐蝕和膨脹等圖像形態(tài)處理功能塊。經(jīng)多次不同環(huán)境下重復(fù)測試得到：改變相應(yīng)顏色閾值范圍該視覺系統(tǒng)可在不同復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中正常穩(wěn)定的工作。圖3 所示為本文研究視覺處理系統(tǒng)源程序，主要包括多圖像采集源程序圖、圖像處理源程序圖、系統(tǒng)復(fù)原源程序圖等內(nèi)容。

5 研究結(jié)論

通過本文實(shí)驗(yàn)研究可得：

（1）采用LabVIEW 軟件與 NI-myRIO-1900 控制器設(shè)計(jì)的視覺處理系統(tǒng)可在世界技能大賽移動機(jī)器人項(xiàng)目考核體制下很好的解決視覺識別、面積判斷等競賽技術(shù)難題。

（2）該視覺系統(tǒng)可準(zhǔn)確判別不同顏色高爾夫球并能計(jì)算出相應(yīng)像素坐標(biāo)值以及面積等物理參數(shù)。

（3）不同競賽場地，不同光線使用環(huán)境通過重新設(shè)置顏色閾值范圍該視覺系統(tǒng)同樣適用。

（4）經(jīng)后期相關(guān)測試該系統(tǒng)可作為子VI 應(yīng)用在相關(guān)運(yùn)動控制系統(tǒng)中。