基于CPLD的服務(wù)機(jī)器人的視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.4 幀存儲(chǔ)器選擇

幀存儲(chǔ)器有需要外部提供地址線的RAM和不需要外部提供地址線的FIFO，為了簡(jiǎn)化CPLD的設(shè)計(jì)。采用了FIFO的幀存儲(chǔ)器。FIFO又可以分為基于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM?；陟o態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù);基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量大，只需一片就能存儲(chǔ)一幀數(shù)據(jù)，缺點(diǎn)是必須有刷新電路。本設(shè)計(jì)中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片AL422B。其刷新電路比較簡(jiǎn)單，僅需WCK或RCK提供大于1M的不間斷脈沖即可。AL422B的存儲(chǔ)容量為3MB，由于系統(tǒng)一幀的信息通常包含640×480個(gè)彩色像素，每個(gè)像素占用2個(gè)字節(jié)，可存儲(chǔ)1幀圖像的完整信息，其工作頻率可達(dá)50MHz。

1.5 視頻處理DSP

在選用DSP時(shí)，在兼顧處理速度，存儲(chǔ)容量，現(xiàn)有條件下的加工工藝水平，以及性價(jià)比方面，選用了TI公司的144腳封裝的TMS320VC5509A，此芯片的最高工作頻率可達(dá)到200MHz，具有很高的處理速度。

DSP收到來自CPLD的讀通知信號(hào)后開始讀取AL422B中的視頻數(shù)據(jù)。為了方便處理數(shù)據(jù)，在DSP外圍擴(kuò)展了一個(gè)的SDRAM。芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存儲(chǔ)容量為1M×16bits。

當(dāng)DSP上電復(fù)位后，通過采樣GPIO0～GPIO3的狀態(tài)，根據(jù)采樣的狀態(tài)來進(jìn)行什么樣方式的程序裝載。本系統(tǒng)的采用外接的flash存儲(chǔ)芯片的SPI口對(duì)DSP進(jìn)行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對(duì)圖像傳感器進(jìn)行寄存器初始化。圖像傳感器開始輸出信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)開始進(jìn)入工作。

DSP作為高速的處理器，主要用于圖像的處理。由于本視覺系統(tǒng)要完成識(shí)別和跟蹤功能，數(shù)據(jù)的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時(shí)，DSP也作為控制器使用完成對(duì)控制器的控制，從而構(gòu)成視覺跟蹤系統(tǒng)。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)采用的是顏色和形狀相結(jié)合的辦法對(duì)無遮擋目標(biāo)物體的識(shí)別。為了達(dá)到機(jī)器人實(shí)時(shí)快速的目的，在軟件方法上，主要采用了目前常用的足球機(jī)器人的顏色識(shí)別方法，目前比較常見是基于閾值向量的顏色判斷法。下面簡(jiǎn)述顏色識(shí)別原理。

2.1 色彩空間選擇

對(duì)于采用基于彩色圖像分割的方法識(shí)別目標(biāo)時(shí)，首先要選擇合適的顏色空間，常用的顏色空間有RGB、YUV、HSV、CMY等。顏色空間的選擇直接影響到圖像分割和目標(biāo)識(shí)別的效果。

RGB:是最常用的顏色空間，其中亮度等于R、G、B3個(gè)分量之和。RGB顏色空間是不均勻的顏色空間，兩個(gè)顏色之間的知覺差異與空間中兩點(diǎn)間的歐氏距離不成線性比例，而且R、G、B值之間的相關(guān)性很高，對(duì)同一顏色屬性，在不同條件(光源種類、強(qiáng)度和物體反射特性)下，RGB值很分散，對(duì)于識(shí)別某種特定顏色，很難確定其閾值和其在顏色空間中的分布范圍。因此通常會(huì)選擇能從中分離出亮度分量的顏色空間，其中最常見的是YUV和HSV顏色空間。

HSV:接近人眼感知色彩的方式，H為色調(diào)(Hue)，S為色飽和度(Saturation)，V為亮度(Value)。色調(diào)H能準(zhǔn)確地反映顏色種類，對(duì)外界光照條件變化敏感度低，但是H和S均為R、G、B的非線性變換，存在奇異點(diǎn)，在奇異點(diǎn)附近即使R、G、B的值有很小變化也引起變換值有很大的跳動(dòng)。

YUV:RGB顏色空間線性變化為的亮度-色彩空間。是為了解決彩色電視機(jī)與黑白電視機(jī)的兼容問題而提出的。Y表示亮度(Luminance)，UV用來表示色差(Chrominance)。YUV表示法的重要性是它的亮度信號(hào)(Y)和色度信號(hào)(U、V)是相互獨(dú)立的。所謂色差是指基色信號(hào)中的3個(gè)分量信號(hào)(即R、G、B)與亮度信號(hào)之差。

因此，針對(duì)以上原因，本系統(tǒng)在采用的是YUV色彩空間。

YUV格式與RGB存在如下關(guān)系:

2.2 閾值確定和色彩判斷

在確定閾值時(shí)，首先通過采集樣本進(jìn)行訓(xùn)練，從而得到預(yù)定的幾種顏色在YUV空間的分量的上下閾值，如圖2所示。

當(dāng)一個(gè)待判定的像素在色彩空間中的位置落在這個(gè)長(zhǎng)方體中時(shí)，就認(rèn)為該像素屬于要找的顏色，從而完成對(duì)圖像顏色的識(shí)別。在Y空間中，Y值表示亮度，因它的變化很大，所以只考慮了U和V的值，在進(jìn)行顏色判斷時(shí)，首先分別建立U、V的閾值向量。