基于仿射不變幾何特征的機(jī)械臂標(biāo)志器識(shí)別

董繼紅

摘 要：對(duì)機(jī)械臂標(biāo)志器的準(zhǔn)確識(shí)別是對(duì)機(jī)器人不同機(jī)械臂部位位置與姿態(tài)準(zhǔn)確測(cè)量的前提。本文針對(duì)在利用機(jī)器視覺(jué)進(jìn)行標(biāo)志器識(shí)別的過(guò)程中，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)造成獲取的圖像存在較大仿射變換，從而降低識(shí)別準(zhǔn)確率的問(wèn)題，提出利用仿射不變幾何形狀特征來(lái)進(jìn)行機(jī)械臂標(biāo)志器識(shí)別。本文基于已有的幾何形狀特征，結(jié)合標(biāo)志器實(shí)際的幾何形狀，通過(guò)歸一化手段確定了六個(gè)仿射不變幾何形狀特征以及兩個(gè)用于輔助識(shí)別以提高識(shí)別準(zhǔn)確的特征判別因子，在此基礎(chǔ)上，建立了標(biāo)志器目標(biāo)特征向量庫(kù)，用于通過(guò)模式識(shí)別的手段對(duì)標(biāo)志器進(jìn)行識(shí)別。最后，搭建實(shí)驗(yàn)裝置，在不同拍攝角度下，利用采集的圖像對(duì)標(biāo)志器進(jìn)行識(shí)別，并與常規(guī)的利用HU不變矩的方法進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，基于仿射不變幾何特征對(duì)機(jī)械臂標(biāo)志器進(jìn)行識(shí)別的方法，能在保證實(shí)時(shí)性的情況下，有效降低因拍攝角度不同對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確率造成的影響，從而提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂標(biāo)志器；仿射不變幾何特征；特征向量；模式識(shí)別

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步與人類對(duì)太空探索活動(dòng)的不斷深入，未來(lái)空間機(jī)器人將扮演越來(lái)越關(guān)鍵的角色。然而，空間機(jī)器人相對(duì)于地面固定基座的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)特性較復(fù)雜，增加了空間機(jī)器人控制難度。所以空間機(jī)器人控制過(guò)程的地面仿真驗(yàn)證變得非常重要。基于氣浮的空間微重力模擬系統(tǒng)為空間機(jī)器人控制的地面仿真驗(yàn)證提供了一種方便有效的實(shí)驗(yàn)手段。然而，針對(duì)大型氣浮式實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如何在實(shí)時(shí)的條件下對(duì)機(jī)器人不同機(jī)械臂進(jìn)行識(shí)別以及位置姿態(tài)的精確測(cè)量，便成了制約實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)用于空間機(jī)器人控制地面仿真的關(guān)鍵問(wèn)題。目前，常用的移動(dòng)機(jī)器人定位技術(shù)，難以在實(shí)時(shí)條件下對(duì)機(jī)器人的不同部件進(jìn)行識(shí)別與位置姿態(tài)的測(cè)量。

計(jì)算機(jī)視覺(jué)為類似空間機(jī)器人基座與空間機(jī)械臂等多剛體航天器不同運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的識(shí)別以及位姿確定提供了準(zhǔn)確有效的解決方式。可將具有顯著形狀差異的目標(biāo)識(shí)別器貼附于空間機(jī)器人基座與不同機(jī)械臂部位，這樣便可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)識(shí)別器的識(shí)別達(dá)到對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型進(jìn)行識(shí)別的目的，在此基礎(chǔ)上再對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確定位。對(duì)機(jī)械臂標(biāo)志器的準(zhǔn)確識(shí)別是對(duì)機(jī)器人基座與不同機(jī)械臂部位位置與姿態(tài)準(zhǔn)確測(cè)量的前提。然而，機(jī)械臂在視野中相對(duì)位置的變化會(huì)導(dǎo)致圖像中實(shí)際的目標(biāo)識(shí)別器形狀與原始形狀之間存在較大的仿射變換，從而嚴(yán)重影響常規(guī)基于幾何形狀特征識(shí)別算法的準(zhǔn)確性。針對(duì)該問(wèn)題，本無(wú)提出基于仿射不變幾何特征的機(jī)械臂標(biāo)志器識(shí)別算法，不但有效提高了識(shí)別準(zhǔn)確率，并且能夠保證識(shí)別的實(shí)時(shí)性，對(duì)于空間機(jī)器人控制過(guò)程的地面仿真驗(yàn)證具有重要意義。

1 仿射不變形狀特征

1.1 幾何形狀特征

圖像特征是圖像中存在的一種抽象的特有的可用于標(biāo)識(shí)的固有屬性，幾何形狀特征便是其中一種常用的圖像特征。形狀特征的分析是在將圖像分割為不同區(qū)域的基礎(chǔ)上，通過(guò)區(qū)域的幾何形狀特性來(lái)對(duì)其進(jìn)行描述。除了基本的幾何參數(shù)，如周長(zhǎng)、面積、重心位置等，還包括復(fù)雜度、形狀系數(shù)、最小外接矩形長(zhǎng)寬比、方位角，球狀性，圓形度以及似圓度等，下面對(duì)幾種幾何特征進(jìn)行介紹。

復(fù)雜度C：

（1）

其中L為區(qū)域周長(zhǎng)，S為區(qū)域面積。

形狀系數(shù)K反映區(qū)域的狹長(zhǎng)程度，

（2）

方位角表示目標(biāo)區(qū)域最小外接矩形長(zhǎng)軸與橫軸的夾角。還有三個(gè)描述區(qū)域緊湊性的幾何形狀參數(shù)，球狀性，圓形度和似圓度等。

球狀性SP：

（3）

和分別為區(qū)域重心到邊界的最短和最長(zhǎng)距離。

圓形性CI是一個(gè)用目標(biāo)區(qū)域中所有邊界點(diǎn)定義的特征量，

（4）

其中為區(qū)域重心到邊界點(diǎn)的平均距離，為重心到邊界距離的標(biāo)準(zhǔn)差：

（5）

（6）

另外，似圓度也可以描述形狀的緊湊性或者狹長(zhǎng)性，

（7）

其中，為區(qū)域橫軸長(zhǎng)度。

1.2 仿射不變幾何形狀特征

空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，本文主要針對(duì)空間機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的四個(gè)標(biāo)志器進(jìn)行識(shí)別算法研究，標(biāo)志器如圖1所示。

在對(duì)機(jī)械臂不同部位處標(biāo)志器進(jìn)行具體的定義之后，便可以對(duì)這些幾何形狀的特征進(jìn)行深入挖掘，定義仿射不變幾何特征。

通過(guò)歸一化構(gòu)造仿射不變幾何特征。雖然仿射變換會(huì)改變幾何形狀特征的具體值，但并不改變四個(gè)標(biāo)志器某些特征的排列順序。這些特征中比較典型的有面積，復(fù)雜度、形狀系數(shù)，圓形度，球狀性以及似圓度等。

這樣便得到歸一化面積、歸一化復(fù)雜度、歸一化形狀系數(shù)、歸一化圓形性、歸一化球狀性歸一化似圓度等6個(gè)比較典型的仿射不變形狀特征。

圖1 機(jī)械臂不同機(jī)構(gòu)四個(gè)標(biāo)志器

定義特征判別因子，在通過(guò)歸一化構(gòu)造仿射幾何不變特征的基礎(chǔ)上，還可以定義對(duì)識(shí)別起到關(guān)鍵作用兩個(gè)特征判別因子，一是方位角，二是形狀質(zhì)心與外接圓的重合性。

方位角為圓形標(biāo)志器的特征判別因子：

（8）

形狀質(zhì)心與外接圓的重合性為三角形標(biāo)志器的特征判別因子：

（9）

這兩個(gè)特征判別因子，即方位角和形狀質(zhì)心與外接圓中心重合與否，可在歸一化幾何形狀特征接近時(shí)起到關(guān)鍵判別作用，有效提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

1.3 特征庫(kù)建立

在具體機(jī)械臂標(biāo)志器識(shí)別之前，需要首先建立各機(jī)械臂標(biāo)志器的特征向量庫(kù)，在實(shí)際識(shí)別過(guò)程中，基于該向量庫(kù)以及與各標(biāo)志器仿射不變幾何特征構(gòu)成的特征向量，利用歐式距離進(jìn)行判別。由于隨著拍攝角度不同那個(gè)，各個(gè)仿射不變特征的值也在改變，只是排列順序保持不變，為了得到隨拍攝角度不變的特征向量庫(kù)，可以按照排列順序，將各個(gè)特征向量的值離散化，由于本文針對(duì)4個(gè)標(biāo)志器進(jìn)行識(shí)別，那么可以將各個(gè)仿射不變特征歸一化之后，按照排列順序，用1-4這4個(gè)整數(shù)代替。結(jié)果入下表：

表1 離散化的仿射不變特征量