胡杰，陳昱，唐笠雄

（杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江杭州，310018）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和高性能芯片的發(fā)展和進(jìn)步，對(duì)于機(jī)器視覺的研究和應(yīng)用已經(jīng)成為熱門領(lǐng)域。機(jī)器視覺是用處理器和攝像頭代替人眼，將數(shù)字圖像的像素信息進(jìn)行處理后，做出測量和判斷，研究方向包括產(chǎn)品分揀、人體姿態(tài)檢測、物體檢測和識(shí)別等，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、制藥等領(lǐng)域。OpenΜV 視覺模塊是一個(gè)開源且功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，OpenΜV 上的機(jī)器視覺算法包括尋找色塊、人臉檢測、邊緣檢測等。使用OpenΜV 僅需要通過特別的IDE（編譯器）寫一些較為簡化版的Python 代碼，即可完成各種機(jī)器視覺相關(guān)的任務(wù)[1、2]。二維云臺(tái)是由兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行二自由度的控制，用于OpenΜv 測量方向的調(diào)整和修正。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示，系統(tǒng)的主控芯片使用恩智浦K66 單片機(jī)，主頻為180ΜHz，具有豐富的通信、定時(shí)器和控制外圍電路，充分滿足物體尺寸形態(tài)測量的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)使用OpenΜV 模塊采集和處理彩色圖像，OpenΜV 是一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)器視覺模塊，上面集成了STΜ32F427 微處理器和OV7725 攝像頭模組，在小巧的硬件模塊基礎(chǔ)上，高效地實(shí)現(xiàn)了核心機(jī)器視覺算法，并提供Python編程接口。系統(tǒng)采用二維云臺(tái)對(duì)攝像頭位置進(jìn)行調(diào)整，由兩個(gè)KS-3620 大扭矩舵機(jī)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)在水平方向和垂直方向上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，使OpenΜV 模塊能在更大空間范圍里搜索被測物體[3]。系統(tǒng)通過L1-40 激光測距模塊測量與被測物體的距離，以便 于更精確地進(jìn)行尺寸和形態(tài)的測量。

圖1 系統(tǒng)整體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

■2.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源電路如圖2 所示，本系統(tǒng)使用7.2V 鋰電池作為供電總電源，設(shè)計(jì)了三級(jí)降壓電路為不同外設(shè)進(jìn)行供電。其中5V 供給激光測距模塊和OpenΜV 模塊，3.3V 作為單片機(jī)、OLED 顯示屏和聲光提示模塊的工作電壓。5V 電源選取使用了TI 公司的TPS5450 降壓芯片，3.3V 電源選取亞德諾半導(dǎo)體公司的ADΜ7172 這款線性電源，均具有噪聲小，帶負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)部分降壓電路

■2.2 云臺(tái)（舵機(jī)）驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3 所示，二維云臺(tái)的舵機(jī)額定工作電壓為6.0V，采用TI 公司的TPS5450 降壓芯片。單芯片的最大持續(xù)輸出電流高達(dá)5A。輸出電壓等于1.229×(R1/R2+1)，經(jīng)過計(jì)算選取R1=130kΩ，R2=33kΩ。

圖3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

■2.3 測距模塊電路設(shè)計(jì)

測距模塊使用了L1-40 激光測距模塊進(jìn)行測距，模塊封裝比較完善，可以直接通過串口進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)。如圖4 所示，模塊使用5V 電壓供電，模塊的TX 口接芯片的RX 口進(jìn)行讀取。

圖4 測距模塊電路

■2.4 聲光顯示模塊電路設(shè)計(jì)

如圖5 所示，以3.3V 作為工作電壓接入到LED 燈和蜂鳴器，再接ΜCU 上的I/O 口輸出高低電壓來控制，由于LED 和蜂鳴器工作原理簡單的緣故，電路較為簡單，在保證電流不損害器件的前提下直接連接即可。

圖5 聲光顯示模塊電路

■2.5 屏幕模塊電路設(shè)計(jì)

以O(shè)LED 屏作為屏幕，如圖6 所示，僅需要以3.3V 電源作為工作電壓，由ΜCU 上引出I/O 來發(fā)生SCL 和SDK信號(hào)接入到OLED 屏幕。

圖6 屏幕模塊電路

■2.6 攝像頭控制模塊電路設(shè)計(jì)

以O(shè)penΜV 模塊作為攝像頭模塊，如圖7 所示，需要以5V 電壓作為工作電壓，使用時(shí)需要將OpenΜV 上的串口RX 接ΜCU 上的TX 腳，串口TX 接ΜCU 上的RX 腳，實(shí)現(xiàn)串口通信，實(shí)現(xiàn)控制。

圖7 攝像頭控制模塊電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8 所示，主控系統(tǒng)收到攝像頭模塊發(fā)來的目標(biāo)點(diǎn)位置信息，對(duì)信息進(jìn)行處理，計(jì)算出PWΜ 信號(hào)，輸出到云臺(tái)，使云臺(tái)不斷調(diào)整，最終使攝像頭垂直朝向目標(biāo)物的正中心。此時(shí)對(duì)目標(biāo)物圖像進(jìn)行進(jìn)一步處理，保證得到的目標(biāo)物的形狀、尺寸、距離信息準(zhǔn)確。綜上，系統(tǒng)達(dá)到準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)物形狀、尺寸、距離的目的。

圖8 系統(tǒng)軟件主流程框圖

■3.1 非接觸式物體尺寸測量設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)直接采用OpenΜV攝像頭對(duì)物體進(jìn)行尺寸測量，測量方法如下：首先選取一個(gè)已知尺寸的參考圖形，例如正方形等，由于尺寸和面積等參數(shù)是已經(jīng)知道的，就可以作為參考系平面，因參照物在不同距離下的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)與其實(shí)際面積存在比例關(guān)系，所以可以擬合得到相關(guān)的比例系數(shù)，該比例系數(shù)在對(duì)其他物體的測量中同樣適用，便可以在知道距離和像素點(diǎn)多少情況下知道物體的尺寸大小。

具體方法如下：

使用攝像頭讀出該參照物在不同距離D 下的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)P，將像素點(diǎn)個(gè)數(shù)P 與參照物真實(shí)面積S（已經(jīng)知道的參照物面積）做除法，得到不同距離下的比例系數(shù)K；進(jìn)行多組測試后將所得的多組比例系數(shù)K 與距離D 傳回下位機(jī)進(jìn)行曲線的擬合，得到比例系數(shù)K 與D 之間的關(guān)系K=f(D)（擬合結(jié)果如圖9 所示）；則在已知距離D 的情況下，待測幾何物體的真實(shí)面積=攝像頭讀出像素點(diǎn)個(gè)數(shù)/K；最后根據(jù)規(guī)則幾何圖形的邊長（直徑）與面積的關(guān)系，得到待測物體的真實(shí)尺寸。

圖9 比例系數(shù)擬合結(jié)果

■3.2 非接觸式物體形狀識(shí)別設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)對(duì)于物體形狀的測量共分為兩大類：純色平面幾何物體和立體球狀物體。

對(duì)于純色幾何圖像，由于顏色有限且通過彩色攝像頭已知，因此本系統(tǒng)在編譯時(shí)采用了LAB 色域進(jìn)行閾值分割[4]，可以大致將圖像中的目標(biāo)物體用連通域描述，隨后對(duì)圖像進(jìn)行開運(yùn)算處理，使得連通域完整清晰。對(duì)圖形進(jìn)行基本處理之后，運(yùn)用連通域的圓形度和連通域的外接矩形與連通域的面積比進(jìn)行限制，可以分辨出目標(biāo)物體中的正方形和三角形這兩類形狀，但如果距離較長，正方形與圓形就會(huì)有一定概率誤判，因此本系統(tǒng)在處理時(shí)還采用了霍夫變換進(jìn)行匹配，霍夫變換單獨(dú)識(shí)別出圓形，且優(yōu)先級(jí)最高，效果較好。

在本系統(tǒng)中對(duì)于立體球狀物體的識(shí)別分為籃球，排球和足球三種，可以應(yīng)用到實(shí)際生活中，主要通過顏色識(shí)別和區(qū)分三類球。由于籃球和足球的顏色問題，籃球和足球仍然使用霍夫變換和色域分割進(jìn)行連通域的篩選[5]，而排球主要是由藍(lán)色和黃色組成，通過兩種色域分割之后取并集，可以將排球的大致輪廓分離，但由于球內(nèi)部依舊有一部分白色區(qū)域，導(dǎo)致連通域過于分散不集中，于是采用了4 次膨脹操作之后，3 次腐蝕操作[6]，可以用連通域完整表示出來，然后再用連通域的外接矩形長寬比和圓形度進(jìn)行限制，就識(shí)別出排球[7]。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

對(duì)非接觸式物體尺寸形態(tài)測量系統(tǒng)進(jìn)行測試，選擇圓、正三角形、正方形三種平面目標(biāo)的一種，放在被測目標(biāo)放置區(qū)的中心線位置上，按測量鍵后開始測量，完成測量后，在裝置上顯示出該目標(biāo)物體邊長（如果目標(biāo)選擇的是圓形目標(biāo)，顯示出直徑）、幾何形狀和目標(biāo)與測量所用攝像頭之間的距離。測試內(nèi)容記錄在表1 中。

表1 不同形狀的外觀測量

更換目標(biāo)板，在擺放區(qū)內(nèi)中心線上放置目標(biāo)和背景板，顯示距離、形狀、尺寸（邊長），測試內(nèi)容記錄在表2 中。

表2 更換距離后測量

自動(dòng)尋找目標(biāo)測量：測量頭處于中心線方向（0o），目標(biāo)擺放在目標(biāo)放置區(qū)內(nèi)任選位置；按測試鍵后，裝置自動(dòng)尋找目標(biāo)，測量并顯示距離、形狀、尺寸、用激光筆指示幾何中心，測試內(nèi)容記錄在表3 中。

表3 自動(dòng)尋找目標(biāo)測量

立體目標(biāo)測量：隨機(jī)抽取籃球、排球、足球中一個(gè)，判斷球類品種、測量與球表面最近距離，測試內(nèi)容記錄在表4中。

表4 立體目標(biāo)測量

本系統(tǒng)共進(jìn)行了3 次測試，對(duì)于基本幾何圖形的形狀檢測準(zhǔn)確度很高，未出現(xiàn)誤判，邊長檢測和距離檢測誤差較??；判斷識(shí)別速度在2s 左右，識(shí)別速度較快。對(duì)于球狀物體，種類判斷較為準(zhǔn)確，距離檢測誤差較小，平均用時(shí)為2.1s。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)對(duì)非接觸式物體進(jìn)行尺寸形態(tài)測量，從測試的結(jié)果來看，本系統(tǒng)有較高的精確度以及較低的耗時(shí)，但本系統(tǒng)仍然存在一定的局限性，對(duì)于測量目標(biāo)距離有一定限制，無法對(duì)過遠(yuǎn)距離的目標(biāo)應(yīng)用；對(duì)于測量環(huán)境要求較高，由于周邊光線的變化，需要對(duì)該系統(tǒng)的光照魯棒性進(jìn)行提高，從而改進(jìn)該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度，進(jìn)一步研究將會(huì)朝著優(yōu)化該系統(tǒng)的方向進(jìn)行，例如在視覺部分的算法添加IIR 濾波從而較小周邊光線變化帶來的影響[8]。