“遠(yuǎn)程腦”模型下大場地足球機(jī)器人系統(tǒng)視覺標(biāo)定問題研究

機(jī)器人足球比賽是近年來在國際上迅速興起的以高科技為支持的競技對抗活動。它涉及到多個領(lǐng)域的知識，包括機(jī)器人、自動控制、機(jī)械學(xué)、通信、傳感、圖像處理、視覺識別及人工智能等[1]。大場地比賽是MiroSot足球機(jī)器人發(fā)展的必然方向，但由于MiroSot Large League 11 vs 11具有前所未有的超大比賽場地和更多的機(jī)器人，使得原有的視覺識別子系統(tǒng)在精確度、識別速度和正確率等方面都面臨著新的挑戰(zhàn)[2，3]。本文研究了MiroSot大場地足球機(jī)器人系統(tǒng)的幾個特有問題。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國際機(jī)器人足球聯(lián)盟（FIRA）規(guī)定，MiroSot Large League比賽場地的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為400cm×280cm，且雙方各派11個隊員上場。超大規(guī)模的比賽場地和更多的目標(biāo)信息給硬件設(shè)備、視覺和決策都提出了新的難題，主要問題存在于：

1由于場地面積和機(jī)器人目標(biāo)個數(shù)的增加，使得需要處理的信息量成倍增長，只靠單個計算機(jī)將難以保證系統(tǒng)的實(shí)時性。

2如果仍然采用單攝像機(jī)來采集整個場地的信息，由于攝像機(jī)的分辨率有限，所采集到的球和機(jī)器人色塊小，噪聲干擾大，難以滿足目標(biāo)定位的精確性和可靠性要求。

在考慮比賽規(guī)則的基礎(chǔ)上，為充分發(fā)揮系統(tǒng)的性能，本文設(shè)計了一種基于“遠(yuǎn)程腦”的雙機(jī)互連結(jié)構(gòu)來分別進(jìn)行圖像和策略的處理。“遠(yuǎn)程腦”控制的思想最早是由日本東京大學(xué)的井上博允提出的[4]，在此基礎(chǔ)上，崔世剛等人將“遠(yuǎn)程腦”的概念擴(kuò)展為遠(yuǎn)程大腦和遠(yuǎn)程小腦兩部分，這樣能更好地平衡遠(yuǎn)程大腦的計算負(fù)荷，也便于系統(tǒng)各個組成部分實(shí)現(xiàn)模塊化管理[5]。將“遠(yuǎn)程腦”的概念引入足球機(jī)器人系統(tǒng)，能夠明顯地改善系統(tǒng)的性能，解決以上所述問題。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

視覺子系統(tǒng)包括兩個攝像機(jī)和一臺視覺處理計算機(jī)（遠(yuǎn)程小腦），每個攝像機(jī)采集半個比賽場地，將圖像信息傳送給與之相連的遠(yuǎn)程小腦，由遠(yuǎn)程小腦完成兩幅圖像的處理如場地的拼接、目標(biāo)識別、位置提取與跟蹤，并將結(jié)果傳送回策略子系統(tǒng)（大腦），供大腦進(jìn)行策略規(guī)劃，并產(chǎn)生左右輪速信息，由通訊子系統(tǒng)傳輸給機(jī)器人，機(jī)器人執(zhí)行動作。

1.2 視覺子系統(tǒng)

視覺子系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)字圖像的處理采用了離線和在線兩種方式：賽前采用離線方式對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，通過人機(jī)交互的方式調(diào)整攝像機(jī)的參數(shù)，并進(jìn)行場地標(biāo)定和特征提取，構(gòu)建場地和目標(biāo)圖像知識庫；比賽開始后，采用在線方式進(jìn)行實(shí)時圖像處理，將兩幅圖像進(jìn)行信息融合以獲取全部目標(biāo)的位置和運(yùn)動信息，同時可以根據(jù)識別的實(shí)際效果修正目標(biāo)圖像知識庫。MiroSot 11Vs11視覺子系統(tǒng)處理流程圖如圖2所示。

后面主要探討大場地足球機(jī)器人系統(tǒng)中場地標(biāo)定以及目標(biāo)信息融合的問題，考慮系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)，離線方式下為了保證場地標(biāo)定的精確性，提出了一種大場地兩步標(biāo)定法；在線方式下為保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性，應(yīng)用基于特征級信息融合的方法實(shí)現(xiàn)左右半場目標(biāo)信息融合。

2場地標(biāo)定

2.1基本思想

機(jī)器人足球視覺系統(tǒng)中場地標(biāo)定的本質(zhì)是要找到所拍攝圖像與真實(shí)場景之間的幾何映射關(guān)系，進(jìn)而從圖像中恢復(fù)實(shí)際場景的幾何信息。由于11v11比賽采用了超大規(guī)模的比賽場地，每個攝像機(jī)只能拍攝到半個場地（如圖3所示），因此我們采取了兩步標(biāo)定法，即先對左右兩個半場分別進(jìn)行標(biāo)定，然后將標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行拼接來實(shí)現(xiàn)整個場地的標(biāo)定。由于攝像機(jī)鏡頭存在加工和裝配誤差，所拍攝圖像存在著一定程度的非線性幾何失真，故在進(jìn)行標(biāo)定之前，對圖像進(jìn)行矯正處理是必要的。

2.2 圖像畸變校正

為了在短物距下獲得大范圍視場，我們一般采用短焦廣角鏡頭，這種鏡頭在成像過程中，都存在著不同程度的幾何失真，足球機(jī)器人視覺系統(tǒng)的失真主要是由光學(xué)鏡頭的徑向畸變所引起，從拍攝到的圖像可以看出，場地邊界略呈弧形。

令 和 分別為理想攝像機(jī)拍攝的像面坐標(biāo)； 和 分別為實(shí)際攝像機(jī)拍攝的像面坐標(biāo)，則有如下的數(shù)學(xué)關(guān)系[6，7]：

2.3 左右半場標(biāo)定

由于經(jīng)過了畸變矯正，場地圖像信息恢復(fù)了線性特征，故可直接采用線性方法進(jìn)行標(biāo)定。首先對左右半場分別標(biāo)定，只需以場地中一些位置已知的特征點(diǎn)作為標(biāo)定點(diǎn)，在圖像中找到其匹配點(diǎn)，再通過計算得到攝像機(jī)坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系的映射關(guān)系。以左半場為例，具體標(biāo)定過程如下：

1.在圖像上選擇場地的四個角 作為標(biāo)定點(diǎn)，這四個點(diǎn)的屏幕坐標(biāo)和其相對應(yīng)的世界坐標(biāo)都為已知，如圖4（b）和4（c）所示；

其中， L、W分別為世界坐標(biāo)中A、D兩點(diǎn)和A、B兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離。

3.若假設(shè)世界坐標(biāo)系原點(diǎn) （即 ）對應(yīng)的屏幕坐標(biāo)為 ，矯正圖像中任意一點(diǎn) 的像面坐標(biāo)為 ，由此可以推導(dǎo)出 的世界坐標(biāo) ：

用同樣方法可對右半場進(jìn)行場地標(biāo)定，從而得到左右半場的矯正坐標(biāo)系 、 與其世界坐標(biāo)系 、 的映射關(guān)系 和 ：

2.4 場地拼接

左右半場世界坐標(biāo)系 、 與全場世界坐標(biāo)系 存在如下關(guān)系：

1. 的坐標(biāo)原點(diǎn)與 的坐標(biāo)原點(diǎn)重合；

2. 的坐標(biāo)原點(diǎn)在 下的坐標(biāo)為（200，0）；

3. 、 的x軸和y軸分別與 的x軸和y軸平行。

故通過線性轉(zhuǎn)換即可計算出 、 到 的映射關(guān)系 ：

綜上，由（3）、（6）、（7）可得到左右攝像機(jī)的像面坐標(biāo)系 、 到全場世界坐標(biāo)系的映射關(guān)系R：

三、實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用了視覺和策略兩臺計算機(jī)，通過對等網(wǎng)線相連構(gòu)成雙機(jī)直接網(wǎng)卡互連結(jié)構(gòu)，并使用兩臺BASLER數(shù)字?jǐn)z像機(jī)采集左右半場信息，通過IEEE1394傳輸線連接到視覺計算機(jī)的采集卡上，采用雙緩沖區(qū)交替采集圖像時視覺子系統(tǒng)的處理周期可達(dá)到25ms，視覺和策略用雙線程實(shí)現(xiàn)并行處理，可使整個系統(tǒng)的運(yùn)行周期減小到30ms，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性。

運(yùn)用兩步標(biāo)定法進(jìn)行了標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過畸變校正和兩步標(biāo)定后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示：

實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2分別為在左右半場測試的數(shù)據(jù)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可看出，只有少量誤差出現(xiàn)在場地的周邊位置，場地標(biāo)定精度較高，可滿足系統(tǒng)精確性的要求。

利用前面所述目標(biāo)信息融合算法對場上的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時定位跟蹤，連續(xù)采集3000幀圖像，其中跟蹤我方機(jī)器人失誤6幀，跟蹤對方失誤4幀，跟蹤球4幀。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該算法可滿足目標(biāo)定位的可靠性要求。

四、結(jié)論

本文首先分析了大場地機(jī)器人足球比賽的特殊性，針對其瓶頸問題展開探討，設(shè)計了基于“遠(yuǎn)程腦”概念的雙機(jī)互連結(jié)構(gòu)，改善了系統(tǒng)的性能。在此基礎(chǔ)上，討論了視覺系統(tǒng)中的雙攝像機(jī)視場下的場地標(biāo)定問題，提出了一種左右場地分別標(biāo)定然后進(jìn)行拼接的大場地兩步標(biāo)定法。實(shí)驗(yàn)證明，該設(shè)計方案可滿足大場地足球機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)時性和可靠性要求。

參考文獻(xiàn)

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[7]S. Liao， P. Gao， Y. Su， D. Wang. A geometric rectification method for lens camera. Journal of Image and Graphics， vol.5， no.7， pp.594-597， July 2010.

（作者單位：1.中信戴卡股份有限公司；2.瑞和安惠項目管理集團(tuán)有限公司；3.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院）