基于雙計算機(jī)的仿人機(jī)器人的視覺跟蹤系統(tǒng)

引言
　　仿人機(jī)器人的頭部視覺跟蹤系統(tǒng)利用視覺信息作為反饋，來規(guī)劃機(jī)器人的頭部運動使其能實時的跟蹤運動目標(biāo)。視覺跟蹤是仿人機(jī)器人的重要功能之一，它的研究對于仿人機(jī)器人的自主導(dǎo)航、人機(jī)交互以及視覺伺服都具有極其重要的意義。

　　視覺跟蹤的實時性是仿人機(jī)器人的重要性能要求之一。針對這一系統(tǒng)要求，近年來有很多學(xué)者設(shè)計出了多種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文[1]中作者設(shè)計了一種基于CAN總線的分布式的仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)，其中的視覺系統(tǒng)通過無線局域網(wǎng)與控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。日本仿人機(jī)器人ASIMO的運動控制系統(tǒng)采用集中式控制方式，視覺系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)與運動控制系統(tǒng)通訊[2]。一臺計算機(jī)難以滿足視覺跟蹤的實時性要求，為了實現(xiàn)實時跟蹤，本文提出并實現(xiàn)了一種基于MemoLink通訊的雙計算機(jī)的視覺跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)通訊可靠、體積小，便于將兩臺計算機(jī)安置于仿人機(jī)器人的胸腔內(nèi)。

　　目標(biāo)分割的穩(wěn)定性是機(jī)器人視覺跟蹤系統(tǒng)的重要要求之一，近幾年來很多學(xué)者對這個領(lǐng)域進(jìn)行了研究，大多數(shù)的機(jī)器人目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)選用了單一的圖像信息，有的采用了物體的顏色信息[3]，有的采用了物體的輪廓信息[4]。然而在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)背景下，單一的圖像信息不能保證系統(tǒng)穩(wěn)定的分割出目標(biāo)。多種圖像信息的融合是解決目標(biāo)物體識別穩(wěn)定性的方法之一[5]。本文中作者提出了一種集成深度、顏色和形狀信息的逐步逼近目標(biāo)區(qū)域的快速目標(biāo)分割方法

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　仿人機(jī)器人BHR1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其全身有32個自由度，其中頭部有2個自由度，可以在兩個方向上自由轉(zhuǎn)動，即左右轉(zhuǎn)動和上下轉(zhuǎn)動。面部放置兩只CCD攝像頭作為視覺傳感器來模擬人的眼睛。采用SVS立體視覺處理系統(tǒng)處理視覺信息，SVS系統(tǒng)提供了每幀圖像的深度圖像[6]。

圖1 仿人型機(jī)器人（BHR1）跟蹤系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　兩臺計算機(jī)置于機(jī)器人的胸腔內(nèi)，其中一臺計算機(jī)負(fù)責(zé)視覺信息的處理，另外一臺負(fù)責(zé)機(jī)器人的運動控制。前者被稱之為信息處理子系統(tǒng)，后者被稱為運動控制子系統(tǒng), 兩臺計算機(jī)通過Memolink進(jìn)行通訊。信息處理子系統(tǒng)利用Windows強(qiáng)大的多媒體功能來處理立體視覺信息，實現(xiàn)目標(biāo)的快速分割以及物體的運動估計和預(yù)測。運動控制子系統(tǒng)以Linux/RT-Linux實時操作系統(tǒng)作為平臺，保證了機(jī)器人控制系統(tǒng)的實時性。除了頭部運動關(guān)節(jié)，運動控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)仿人機(jī)器人全部關(guān)節(jié)的控制。Memolink 是系統(tǒng)間進(jìn)行快速通信的一種有效解決方案,是連接信息處理子系統(tǒng)和運動控制子系統(tǒng)的橋梁。具有通信速度快和通信前無需握手的優(yōu)點。

　　整個跟蹤過程執(zhí)行如下的循環(huán)：搜索目標(biāo)——發(fā)現(xiàn)目標(biāo)——匹配——狀態(tài)估計和預(yù)測——運動控制。不同的匹配方法應(yīng)用產(chǎn)生了不同的跟蹤方法。本文中作者提出了一種融合深度、顏色和形狀信息的逐步逼近目標(biāo)區(qū)域的快速分割方法。在實時的跟蹤系統(tǒng)中，運動估計和預(yù)測有效的減少了檢測區(qū)域，提高了系統(tǒng)的跟蹤速度。研究中采用經(jīng)典的卡爾曼濾波器進(jìn)行運動目標(biāo)的狀態(tài)估計和預(yù)測。

　　2 基于多圖像信息的目標(biāo)分割方法

　　視覺信息處理子系統(tǒng)完成目標(biāo)物體的快速分割，同時估計和預(yù)測目標(biāo)物體的運動信息，把目標(biāo)物體的位置信息實時地傳遞給運動控制子系統(tǒng)。目標(biāo)識別的穩(wěn)定性對整個跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

　　在復(fù)雜背景的非結(jié)構(gòu)化的室內(nèi)環(huán)境下，用于機(jī)器人視覺跟蹤的圖像信息有：深度、顏色、形狀、邊緣、運動等?；诙嘈畔⒌倪\動目標(biāo)的分割方法中，所選取的信息應(yīng)該具有互補(bǔ)性。物體的顏色是物體最顯著的特征，適合用于目標(biāo)的跟蹤。但是當(dāng)背景中包含同樣顏色的物體時，基于顏色的跟蹤將會失敗。深度信息有助于系統(tǒng)得到粗略的前景區(qū)域，也就是包含運動物體的目標(biāo)候選窗口，另外基于深度分割的粗略前景輪廓的獲得計算量小，速度快?；赗HT（Random Hough transform）算法的形狀檢測器可以檢測各種不同的幾何形狀,比如：橢圓形、三角形和多邊形，進(jìn)而把目標(biāo)候選區(qū)域中相同顏色的物體區(qū)別開來。 [!--empirenews.page--]

圖2 視頻序列中運動目標(biāo)分割過程

　　本文利用仿人機(jī)器人的立體視覺系統(tǒng)，設(shè)計了融合深度，顏色，形狀信息的逐步逼近目標(biāo)區(qū)域的快速跟蹤方法。圖2為視頻序列中運動目標(biāo)的分割過程。首先利用深度信息把機(jī)器人關(guān)心的前景區(qū)域分割出來，得到ROF（Region of Foregroud）區(qū)域，即粗略的目標(biāo)候選區(qū)域。在ROF中使用顏色濾波器分割，得到ROIC（Region of Interest Color）區(qū)域。最后形狀檢測器可以把相同顏色的物體區(qū)別開來。在分割過程中，候選目標(biāo)區(qū)域逐步縮小并逼近目標(biāo)區(qū)域。逐步縮小的候選目標(biāo)區(qū)域減少了計算量，提高了系統(tǒng)的運算速度。同時，該方法有效的避免了場景中相同顏色物體的干擾，提高了目標(biāo)分割的穩(wěn)定性。圖3顯示了目標(biāo)物體的分割結(jié)果。

圖3 復(fù)雜場景中目標(biāo)物體的分割結(jié)
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3 運動控制子系統(tǒng)
3.1運動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

　　機(jī)器人的運動控制子系統(tǒng)是一個典型的計算機(jī)控制系統(tǒng)。機(jī)器人頭部的控制目的是為了機(jī)器人的頭部能夠?qū)崟r跟蹤運動目標(biāo)，因此實際控制信號輸入量是根據(jù)目標(biāo)物體的位置信息求得的規(guī)劃數(shù)據(jù)。在反饋信號的輸入方面，因為被控對象是電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度，用電機(jī)上面的軸角編碼器的輸出作為反饋信號。

　　系統(tǒng)使用了一套多功能接口板，將所有的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、ENC（encoder）、PWM、IO等多種功能都集成在該接口板上，提高了系統(tǒng)的集成性并減小了系統(tǒng)體積和重量。多功能接口板上上的ENC接口來作為反饋信號的輸入通道，它可以測量軸角編碼器的脈沖輸出個數(shù)。每個運動關(guān)節(jié)采用經(jīng)典的PD伺服控制。

　　3.2運動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
　　運動控制子系統(tǒng)采用了RT-Linux（Real Time Linux）實時操作系統(tǒng)，其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括兩個模塊：主程序模塊、實時任務(wù)模塊，主程序模塊是linux應(yīng)用程序，實時任務(wù)模塊是RTlinux下的實時進(jìn)程。兩個模塊也是兩個進(jìn)程，通過管道（FIFO）進(jìn)行通訊等。

圖4 BHR1運動控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　實時任務(wù)主模塊包括兩部分：周期性執(zhí)行的實時控制循環(huán)（即實時線程）和實時任務(wù)觸發(fā)器。實時線程的周期性執(zhí)行是由一個循環(huán)實現(xiàn)的。該循環(huán)主要完成兩大功能：機(jī)器人運動控制、與各電機(jī)相連的軸角編碼器的信息采集。實時任務(wù)周期為3毫秒。實時任務(wù)周期是根據(jù)D/A通道處理時間和碼盤計數(shù)器讀取時間，以及傳感器信息獲取時間確定。 [!--empirenews.page--]

　　主程序模塊與一般的Linux應(yīng)用程序沒有區(qū)別，它主要有以下幾個功能：與信息處理系統(tǒng)通訊;向?qū)崟r任務(wù)傳送控制參數(shù);實現(xiàn)人機(jī)交互，即將從實時任務(wù)傳過來的電機(jī)轉(zhuǎn)動數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)輸出到監(jiān)視器上，同時將通過鍵盤輸入的控制信號，實際上主程序模塊主要實現(xiàn)控制臺的作用，可以稱之為控制臺程序。

　　3.3運動控制過程
　　跟蹤系統(tǒng)的控制目標(biāo)是:根據(jù)圖像處理獲取的目標(biāo)質(zhì)心在圖像平面中的位置,實時調(diào)整機(jī)器人頭部的2個電機(jī)轉(zhuǎn)動角度,將目標(biāo)置于圖像平面的中央位置。運動控制系統(tǒng)中一個控制循環(huán)大約需要3毫秒的時間。在信息處理系統(tǒng)中，處理一幀圖像平均需要100毫秒左右的時間。由此可見，視覺處理的周期要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于運動控制的周期。因此在一個視覺處理周期之后，系統(tǒng)應(yīng)該做好下一個視覺處理周期之內(nèi)的運動規(guī)劃，也就是做好后面多個控制周期之內(nèi)的運動規(guī)劃，這樣才能保證機(jī)器人的頭部以均勻、平緩，同時又是準(zhǔn)確的速度來跟蹤目標(biāo)。

　　4 實驗
　　在仿人機(jī)器人BHR1中，信息處理計算機(jī)的CPU為PⅣ2.4GHz,內(nèi)存為512MB，運動控制計算機(jī)的CPU為PIII700MHz,內(nèi)存為256MB。SVS系統(tǒng)的采集速度為15幀每秒，采集圖像的大小為320×240像素。Memolink采用PCI接口，最大傳輸速率為1M bytes/s或1M words/s。

　　4.1 復(fù)雜背景下運動目標(biāo)的跟蹤。
　　在運動物體跟蹤實驗中，紅色小球作為目標(biāo)在機(jī)器人的視野中做單擺運動。為了驗證基于多圖像信息的目標(biāo)識別算法，背景中放置了紅色的方塊和一個綠色的小球。實驗結(jié)果如圖5所示，第一行圖像是實驗場景，第二行圖像是左攝像頭的視頻序列，結(jié)果表明彩色目標(biāo)運動速度小于0.3m/s時，機(jī)器人頭部仍可以很好地跟蹤目標(biāo)的運動，并使其始終位于左側(cè)攝像機(jī)所采集到圖像的中央位置。在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)環(huán)境的室內(nèi)背景下，利用單一的圖像信息，系統(tǒng)很可能會跟蹤失敗。相同背景下，單一的顏色信息不能將紅色的小球和背景中的紅色方塊區(qū)分開來。

圖 5 復(fù)雜背景下彩色目標(biāo)跟蹤實驗

　　圖6顯示了紅色小球運動狀態(tài)時的跟蹤過程，圖中的數(shù)據(jù)為實際數(shù)據(jù)的1/10抽樣?？梢钥闯觯赬軸方向上，目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)到圖像中心的偏差在±30個像素以內(nèi)，在y軸方向上，目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)到圖像中心的偏差在±20個像素內(nèi)。實驗說明在物體的運動過程中，跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崟r跟蹤物體并將物體的質(zhì)心保持在左眼攝像機(jī)的中心。

圖6 目標(biāo)在X、Y方向上的跟蹤誤差（像素）

　　5 結(jié)論

　　本文提出了基于Memolink通訊的雙計算機(jī)的仿人機(jī)器人的視覺跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠滿足仿人機(jī)器人實時視覺跟蹤的性能要求。

　　在未知的復(fù)雜環(huán)境中，基于深度、顏色和模版匹配的多圖像信息融合方案確保機(jī)器人穩(wěn)定的從視頻序列中分割出運動目標(biāo)。

　　本文作者的創(chuàng)新點
　　本文提出并實現(xiàn)了一種基于MemoLink通訊的雙計算機(jī)的視覺跟蹤系統(tǒng)， 一臺計算機(jī)負(fù)責(zé)視頻信息的處理，另一臺計算機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)器人頭部的運動控制，實現(xiàn)了仿人機(jī)器人頭部對運動目標(biāo)的實時跟蹤。本文提出了一種集成深度、顏色和形狀信息的逐步逼近目標(biāo)區(qū)域的快速目標(biāo)分割方法，實現(xiàn)了復(fù)雜背景下目標(biāo)物體的穩(wěn)定分割。