基于Pixy開發的模塊化云臺圖像跟蹤系統

平鈺光+錢炳鋒+屠強

【摘 要】目前圖像跟蹤平臺，多大基于PC系統，不利于嵌入式移植和小型移動平臺設計，而視覺系統的執行機構大多需要做定制化的結構設計，不利于推廣實施。本文提出一種基于pixy開源平臺，高響應，多物體跟蹤的模塊化平臺，文中分別對該系統的各硬件軟件組成部分進行了介紹。

【關鍵詞】Pixy；模塊化；卡接式云臺

1.Pixy簡介

Pixy是一個開源的視覺傳感器，該技術的識別速度很快，因為它以顏色為中心，使用色調過濾算法來識別物體，但對物體的色彩飽和度有較高的要求[1]。

這種視覺傳感器支持多物體、多色彩的顏色識別，最高支持7種顏色，我們可以告訴它想要的顏色，教它找東西。該系統可以一次性標繪和報道數百個物體的實時地理位置，并且以50Hz的速度完成。如，Pixy每20毫秒就能處理一整幅640×400的圖片，也就是說，每20毫秒就能夠獲得一次有關所偵查物體位置的全面更新。

Pixy支持多種通信方式來報道物體的實時地理位置，如UARTserial，SPI，I2C等，此外還有PC或Mac版PixyMon應用程序，可以用來瀏覽傳感器實時看到的東西。它搭載的圖像傳感器配合強大的硬件，可以配合PC跟蹤、分析多色的數據[2-4]。也可以直插在Arduino控制板上，整合到其他項目中。如，把它安裝到機器人上，便可以為機器人增加一副眼睛，為機器人創造了室內導航系統——通過在門口標注顏色代碼，Pixy能夠識別出入口，并且告訴機器人該如何走。

2.Pixy系統設計

2.1 Pixy“學習”物體

當開始給Pixy供電，Pixy的LED燈會閃幾下。等待LED燈滅掉后再繼續。用手按住其頂部的按鈕，大約等待1秒鐘，LED會變亮，先顯示白色，然后是紅色，再然后是其他顏色，當其顯示紅色時，松開按鈕。

在松開按鈕后，LED的顏色就是Pixy攝像頭所看到的圖像中間部分的顏色。

可以用LED的顏色來判斷物體是否在Pixy視角的中心位置。當LED顏色和物體顏色很接近時，點擊按鍵并迅速松開。如果Pixy認為物體有足夠的色彩飽和度，LED便會閃爍，即操作完成，此時Pixy現在已經“學會”了所給的物體，并且會追蹤具有相同顏色的物體。如果物體的色調不夠好，LED不會閃，即Pixy沒有學會所給的物體。這時，我們可以換一個色彩飽和度較高的物體。

2.2 Pixy 顏色識別算法分析

（1）三基色原理

根據三基色原理，任意一種色光 F 都可以用不同分量的 R、G、B 三色相加混合而成，即F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]。

其中，r、g、b 分別為三基色參與混合的系數。當r=g=b=0，即最弱時，混合為黑色光；當r=g=b=k，即最強時，時混合為白色光。更改三個系數的值，就可以得到各種各樣的色光。

（2）YUV 色彩空間表示

Y為亮度信號，U、V為色度信號，且Y與U、V是分離的。假如有亮度分量而沒有色度信號，那么其表示的圖像是黑白灰的圖像。

（3）RGB 和 YUV轉換方式

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = -0.147R - 0.289G + 0.436B

V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

（4）Pixy 算法核心思想

在前面介紹的色彩空間表示中Y 是亮度信號，U、V是色差信號，而Pixy的算法就是不要亮度只要色度，即只需要色彩。所以我們需要去掉色彩，根據下面三個公式：

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

可以得到 U' = R - G = 1.72V + 0.39V

V' = B - G = 2.42U + 0.58V

C' = R + G + B = 3Y + 0.56V + 1.64U

變化后的U'和V'已經沒有 Y 亮度的分量了

因為物體在不同亮度中顯示的顏色可能也有差異，所以還得考慮一部分亮度的影響即C'。

所以為了減弱亮度對物體顏色的影響，Pixy會把色彩值放大若干倍后在除以亮度值。這樣做就強化了色彩，減輕的亮度值的影響。Pixy就能輕松識別顏色而不會有太大的誤差。

（5）pixy與 Arduino通訊

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件和軟件。Pixy需要與Arduino進行通訊。

設置Pixy為可以與微控制器進行通訊，且Pixy可以直接與Arduino進行通訊，使Pixy自帶的數據線將Pixy連接到Arduino，它會以1Mbits/s的速度發送塊信息給Arduino，這意味著Pixy每秒可以發送超過6000個識別的物體或每幀135個被識別的物體（Pixy每秒可以處理50幀畫面）。

3.卡接式模塊化云臺系統

3.1系統構成

卡接式模塊化云臺系統如圖1，包括控制器（1）、智能電機（2）、卡接件一（3）、轉接衡梁（4）、卡接件二（5）、從動塊（6）、卡接件三（7）。云臺是由智能電機通過各卡接件以及從動塊和衡量拼接完成，智能電機通過總線方式和控制器連接，控制器對智能電機發出控制指令，實現對云臺的控制。通過上述卡接方式，可以快速實現多自由度云臺的搭建，為快速定制云臺系統提供有效的解決方案。

3.2卡接式模塊化的優點

卡接的優勢在于避免了螺紋連接，夾緊，粘貼等其他的連接方法。這些卡接結構是采用模具成型的，不需要額外把他們連接起來。卡接結構可以設計成一次性的和多次使用的。

云臺是用于安裝、固定外部器件的支撐設備，分為固定和電動云臺兩種。固定云臺適用于作用范圍不大的情況，其達到最好的工作姿態后只要鎖定調整機構即可達到運用效果。而卡接式模塊化云臺系統（電動云臺的一種），可以極大程度得滿足多場合快速組件要求，提高工作效率。

通過這種模塊化的卡接方式，能夠快速有效地實現多自由度云臺的快速搭建，減少云臺選型或測試的工時損耗。

3.3系統流程

設置Pixy，使其“學會”所給物體并對顏色進行跟蹤，流程如圖2所示。Pixy與Arduino通訊連接后，在Arduino程序中編寫代碼，使云臺能夠根據所識別的顏色對物體進行追蹤。

4.結語

本文設計的基于Pixy開發的模塊化云臺圖像跟蹤系統采用在機械云臺上安裝Pixy Cmucam攝像機，利用其可以“學習”所給顏色進行識別的特點，對圖像物體進行跟蹤。此系統可以同時識別多物體、多顏色，高響應，具有高時效性，可大大縮短項目開發設計，且利于基于視覺的競賽系統開發。

參考文獻：

[1]劉治湘，羅均.基于仿生雙目機械云臺的圖像跟蹤技術研究[J].機械工程師，2012，6.

[2]張桂紅.基于Pixy Cmucam5圖像識別傳感器的物品分揀裝置[J].電子制作.2016，20.

[3]陳孟臻.三軸WIFI攝像頭舵機云臺的設計與實現[D].2015，3.

[4]張雁寧.基于STM32和pixy CMUcam5視覺傳感器的雙控制模式全向車的設計[J].2016，16.

基金項目：

本項目受上海電機學院車輛工程學科建設項目資助，項目編號：16TSXK01；上海市大學生創新計劃資助。endprint