基于視覺追蹤的“無影”智能臺(tái)燈設(shè)計(jì)

呂聯(lián)榮， 秦 娟， 陳博斌

（天津理工大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

0 引 言

典型的機(jī)器視覺系統(tǒng)可分為PC式視覺系統(tǒng)與嵌入式視覺系統(tǒng)兩大類，前者較為復(fù)雜且開發(fā)成本高；后者易于開發(fā)和維護(hù)相對(duì)可靠耐用［1］。通常情況下，一個(gè)完整的機(jī)器視覺系統(tǒng)由圖像采集、分析決策和輸出三部分組成，三者互相配合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能［2］。目前世界范圍內(nèi)對(duì)于使用機(jī)器視覺進(jìn)行物體追蹤的研究較為成熟，應(yīng)用也已相當(dāng)廣泛，如車輛道路監(jiān)控系統(tǒng)和行人闖紅燈抓拍系統(tǒng)等［3］。很多公司都在研究開發(fā)這一技術(shù)，如國內(nèi)的天地偉業(yè)公司、日本的基恩士、美國的康耐視等等。與此同時(shí)，基于機(jī)器視覺的追蹤技術(shù)也是國內(nèi)外各團(tuán)隊(duì)研究的熱門，如朱振天等［4］基于機(jī)器視覺的運(yùn)動(dòng)煤顆粒檢測和遮擋追蹤技術(shù)，針對(duì)煤顆粒篩分過程中被遮擋而導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)分析實(shí)測數(shù)據(jù)缺失的情況，應(yīng)用機(jī)器視覺的方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)煤顆粒檢測和遮擋追蹤。俄羅斯Rakhmatulin博士［5］基于機(jī)器視覺追蹤技術(shù)，使用樹莓派和激光發(fā)射裝置實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)滅蚊效果，該裝置通過攝像頭識(shí)別蚊子的位置，然后使用大功率激光發(fā)射器精準(zhǔn)打擊，非常有創(chuàng)意。張清勇等［6］利用色塊追隨設(shè)計(jì)電磁曲線炮，根據(jù)機(jī)器視覺設(shè)計(jì)機(jī)器寫字系統(tǒng)［7］等。普通照明存在的問題：在安裝場地受限的情況下，由于陰影的存在無法提供理想的照明效果；高級(jí)照明設(shè)備可以提供無影照明，但是造價(jià)昂貴。本文提出了一種基于機(jī)器視覺追蹤的照明系統(tǒng)，具有低成本和高光照追蹤的優(yōu)點(diǎn)。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于視覺追蹤的隨動(dòng)照明系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，以臺(tái)燈作為原型，由頭部、燈臂和底座組成。3自由度的燈臂使用3路舵機(jī)控制燈臂的三維移動(dòng)，其中舵機(jī)X和舵機(jī)Y受圖像識(shí)別結(jié)果控制，分別實(shí)現(xiàn)光源上下和左右方向的移動(dòng)，舵機(jī)D配合測距模塊實(shí)現(xiàn)距離保持。本系統(tǒng)體積小，因此選用了扭矩相對(duì)較大的MG90舵機(jī)作為動(dòng)力裝置［8］。

圖1 臺(tái)燈的機(jī)械結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件

2.1 總體設(shè)計(jì)

“無影”智能臺(tái)燈系統(tǒng)包括識(shí)別目標(biāo)物體，控制舵機(jī)X、Y和D移動(dòng)光源，實(shí)現(xiàn)光源跟隨目標(biāo)物體進(jìn)行移動(dòng)。硬件系統(tǒng)由主控制器、識(shí)別處理、運(yùn)動(dòng)控制、光源控制和人機(jī)交互等模塊構(gòu)成，總體框圖如圖2所示。使用雙MCU（Micro-control Unit）聯(lián)合作為控制器，其中低速M(fèi)CU為主控制器，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)計(jì)算和輸出控制信號(hào)；高速M(fèi)CU處理攝像頭采集到的圖像信息，并將結(jié)果發(fā)送給低速M(fèi)CU。

圖2 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

距離傳感采用超聲波測距。運(yùn)動(dòng)控制模塊選用兩個(gè)大扭矩的舵機(jī)和一個(gè)普通舵機(jī)。光源控制模塊選用大功率LED和達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)電路。人機(jī)交互模塊包括微動(dòng)按鍵和共陽RGBLED，實(shí)現(xiàn)模式選擇和相關(guān)信息的顯示。

2.2 主控模塊

主控模塊是系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)需要操控3路舵機(jī)，且在運(yùn)行期間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理，因此要求主控單片機(jī)有PWM（Pulse Width Modulation）發(fā)生器和較大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。本設(shè)計(jì)的主控模塊選用ST公司的32位單片機(jī)。STM32F103C8T6［9］，其主頻為72 MHz。該型號(hào)性價(jià)比較高，能輸出多路PWM，支持旋轉(zhuǎn)編碼器接口，具備串口通信能力，可以和圖像識(shí)別處理模塊進(jìn)行通信，使系統(tǒng)獲取目標(biāo)物體的位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源控制。

2.3 識(shí)別模塊

識(shí)別模塊包括基于OV7725攝像頭的I.MX6ULL視覺圖像處理和RCWL-1601超聲波測距兩部分，如圖3所示。機(jī)器視覺處理由ARMCortexA7架構(gòu)的芯片I.MX6ULL處理，其主頻近800 MHz，配有硬件攝像頭接口（即CSI接口），可連接標(biāo)準(zhǔn)SCCB接口的CMOS攝像頭［10-11］。該模塊通過攝像頭進(jìn)行圖象捕捉，進(jìn)行目標(biāo)物體的顏色識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果通過串口發(fā)送至系統(tǒng)主控制模塊進(jìn)行后續(xù)的處理。從工業(yè)生產(chǎn)角度考慮時(shí)，還可以使用其相近產(chǎn)品如I.MX6UL或STM32F4系列作為替代，此類芯片成本更加低廉。

圖3 圖像采集處理模塊和測距模塊實(shí)物

在系統(tǒng)中綜合考慮成本和照明干擾，選用超聲波測距，實(shí)現(xiàn)cm級(jí)精度的距離測量。該方案誤差較大，且對(duì)于被測物體表面平整度要求較高，易受溫度影響。通過硬件設(shè)計(jì)放大信號(hào)，軟件設(shè)計(jì)濾波和溫度補(bǔ)償算法進(jìn)行彌補(bǔ)，提高了測量精度。

2.4 運(yùn)動(dòng)控制模塊

本系統(tǒng)采用舵機(jī)控制臺(tái)燈臂進(jìn)行自由轉(zhuǎn)動(dòng)［12］，根據(jù)各部位承重需要分別選用SG90、MG90和ES08AII 3種舵機(jī)，舵機(jī)如圖4所示，其中紅色的是VCC，棕色的是GND，橙色的是PWM信號(hào)端。驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM信號(hào)頻率一般為50 Hz，通過改變信號(hào)的占空比來實(shí)現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)角的控制。

圖4 SG90型舵機(jī)實(shí)物

2.5 照明模塊

選用大功率LED作為照明光源［13-14］，使用CD4017動(dòng)態(tài)掃描點(diǎn)亮LED，達(dá)林頓管ULN2003作為驅(qū)動(dòng)電路，配合單片機(jī)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)多個(gè)大功率LED，其電路如圖5所示。

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路

2.6 人機(jī)交互模塊

該模塊由RGBLED、微動(dòng)按鍵和旋轉(zhuǎn)編碼器EC01構(gòu)成。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的外部控制，RGBLED可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，供用戶得到系統(tǒng)狀態(tài)參考；微動(dòng)按鍵可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模式的切換，用戶通過簡單地操作兩個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)和切換系統(tǒng)狀態(tài)，同時(shí)RGBLED指示燈會(huì)以不同顏色顯示當(dāng)前狀態(tài)；旋轉(zhuǎn)編碼器用于實(shí)現(xiàn)在鎖定模式中手動(dòng)控制臺(tái)燈臂轉(zhuǎn)角。系統(tǒng)的硬件組成如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)硬件組成圖

3 系統(tǒng)軟件

除了圖像處理模塊，系統(tǒng)還使用STM32控制舵機(jī)、超聲波測距、按鍵識(shí)別和照明控制，以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

3.1 主程序

本系統(tǒng)對(duì)于響應(yīng)速度的最低要求為2～4次/s識(shí)別，并控制舵機(jī)移動(dòng)。由于本系統(tǒng)不搭載實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，選擇定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)間的同步規(guī)劃。基于狀態(tài)分析法，主程序流程如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

3.2 超聲濾波和溫度補(bǔ)償

選用了高靈敏度的超聲波測距探頭，數(shù)據(jù)波動(dòng)較大，因此設(shè)計(jì)了基于FIFO的軟件濾波器，使用冒泡法排序，返回中位數(shù)。該濾波方法能夠?yàn)V除突變值避免發(fā)生抖動(dòng)，同時(shí)動(dòng)態(tài)的FIFO能夠避免出現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)的現(xiàn)象，進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為了校正聲速引入溫度補(bǔ)償函數(shù)，其思路是在單片機(jī)芯片剛上電最接近室溫時(shí)讀取其內(nèi)部的溫度，ADC讀取內(nèi)部通道16來獲取當(dāng)前電壓值，根據(jù)下式轉(zhuǎn)換成（℃）：

式中：USENSE為傳感器的電壓值；U25為USENSE在25℃時(shí)的電壓值；UASvg_Slope為溫度與USENSE曲線的平均斜率，其典型值1.43［15］。再由下式得出當(dāng)前環(huán)境溫度下的聲速，即

3.3 顏色識(shí)別和追蹤

結(jié)合OpenCV設(shè)計(jì)裸機(jī)算法，采用了RGB色域閾值法的顏色識(shí)別方式，主要過程是遍歷圖像數(shù)據(jù)［16-17］，若識(shí)別到對(duì)應(yīng)顏色則記住當(dāng)前顏色區(qū)域，并擴(kuò)大2倍，再識(shí)別下一種顏色，若無識(shí)別項(xiàng)則繼續(xù)遍歷識(shí)別下一顏色。當(dāng)3個(gè)顏色均識(shí)別結(jié)束后會(huì)統(tǒng)計(jì)識(shí)別成功的次數(shù)，并返回總的顏色像素坐標(biāo)范圍。該算法能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，提升在低主頻MCU中的程序運(yùn)行效率。

當(dāng)遇到背景較暗的環(huán)境時(shí)，會(huì)將偏黑色誤判成紅色，因此還設(shè)計(jì)了自動(dòng)糾錯(cuò)功能。當(dāng)識(shí)別到的顏色范圍過小時(shí)，丟棄該值并重新開始篩選顏色。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終能夠讓算法在顏色較為單一背景下成功識(shí)別出目標(biāo)。算法的流程圖如圖8所示。裸機(jī)程序的處理效果如圖9所示。

圖8 顏色識(shí)別算法流程

圖9 圖像處理結(jié)果

3.4 數(shù)據(jù)交換

系統(tǒng)使用兩個(gè)MCU進(jìn)行協(xié)同處理，設(shè)計(jì)了串口通信方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。圖像處理模塊的I.MX6ULL進(jìn)行圖像識(shí)別后，數(shù)據(jù)打包通過串口發(fā)送至STM32，由串口DMA接收，配合串口中斷實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包實(shí)時(shí)接收和解析，并將解析數(shù)據(jù)存至結(jié)構(gòu)體中以供后續(xù)操作。指令解析流程如圖10所示。

圖10 指令解析函數(shù)流程圖

4 測試與分析

“無影”智能臺(tái)燈樣品和測試如圖11所示，燈臂由木板構(gòu)成。將目標(biāo)物體送入攝像頭視野，在工作模式中系統(tǒng)能夠根據(jù)當(dāng)前識(shí)別結(jié)果正確地進(jìn)行反饋操作，響應(yīng)速度在0.3 ms左右，能夠滿足基本要求；將目標(biāo)物移出視野范圍，機(jī)械臂保持最后姿態(tài)，說明當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)入等待模式。

圖11 “無影”智能臺(tái)燈樣品測試圖

進(jìn)行顏色識(shí)別和光源控制功能測試方法為：將帶有RGB三色標(biāo)記的手寫筆置于攝像頭感應(yīng)區(qū)內(nèi)，按照左、右、前和后移動(dòng)，觀察此時(shí)臺(tái)燈的運(yùn)行狀態(tài)是否與手寫筆的運(yùn)動(dòng)方向一致。測試時(shí)隨機(jī)選擇方向，每個(gè)方向測試30次。測試結(jié)果表明，“無影”智能臺(tái)燈系統(tǒng)可以通過顏色識(shí)別模塊準(zhǔn)確判斷手寫筆的運(yùn)動(dòng)方向，測試結(jié)果見表1。

表1 臺(tái)燈控制功能測試結(jié)果

5 結(jié) 語

本文提出了一種基于機(jī)器視覺的自動(dòng)追蹤照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合顏色追蹤算法，實(shí)現(xiàn)了低成本便攜應(yīng)急“無影燈”的效果。系統(tǒng)采用了RGB閾值法完成圖像二值化，減少了計(jì)算耗時(shí)，實(shí)現(xiàn)了顏色追蹤和光源隨動(dòng)控制。將機(jī)器視覺、嵌入式開發(fā)與照明系統(tǒng)相結(jié)合，具有一定的實(shí)用價(jià)值，為高級(jí)照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新的思路，可自動(dòng)調(diào)整照明角度保護(hù)視力。