中型组足球机器人视觉系统光照鲁棒性的研究.pdf

《中型组足球机器人视觉系统光照鲁棒性的研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中型组足球机器人视觉系统光照鲁棒性的研究.pdf（63页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、摘要 摘要 中型组机器人足球比赛是机器人足球世界杯( R o b o C u p ) 中的一个重要项目， 该项目机器人完全自主，最具挑战性。机器人通过视觉传感器对彩色目标进行颜色 分类和目标识别，进而完成路径规划、踢球、射门等任务。中型组机器人足球比赛 为机器视觉的相关技术研究提供了一个标准的测试环境。对R o b o C u p 中型组足球机 器人视觉系统光照鲁棒性的研究，能够拓展机器视觉的应用领域，丰富和发展机器 视觉与图像处理的理论知识。在收集和分析国内外相关文献的基础上，本文主要针 对机器人视觉的颜色离线标定和颜色识别的光照鲁棒性进行研究。主要研究工作如 下： ( 1 ) 足球机器人视

2、觉的颜色离线标定 颜色离线标定是为了建立颜色查找表，颜色查找表是一种映射表，里面是颜色 值所一一对应的颜色类别。具体过程是首先用H S I 颜色空间表示场地图像的颜色特 性；在图像的初始分割中，忽略亮度分量对图像分割的影响，利用波峰查找算法对 H S 二维颜色直方图进行初始分割；最后以初始分割的值作为初始值，采用模糊C 均值聚类方法对阈值进行补偿，生成颜色查找表，用于实时比赛中对于图像颜色的 分类。 ( 2 ) 颜色识别的光照鲁棒性研究 本文同时还对在光照变化的条件下，如何提高颜色识别的鲁棒性做了研究。首 先比赛开始前初始化球场绿色像素的色调直方图和亮度直方图，利用反向投影的方 法通过色调直方

3、图找出球场上的绿色点，记录亮度直方图，在光照变化的情况下通 过球场的亮度直方图计算光照变化率，补偿光照变化，更新颜色查找表，提高颜色 识别的鲁棒性。 论文最后对全文进行了总结，说明了主要研究成果，同时指出本文的不足和有 待进一步研究的问题。 关键词：足球机器人；颜色标定；颜色查找表；颜色识别；光照鲁棒性 A b s t r a c t A b s t r a c t M e d i u m - s i z e dg r o u po fr o b o ts o c c e rg a m ei sa ni m p o r t a n tp r o j e c to ft h er o b o t

4、s o c c e r W o r l dC u p ( R o b o C u p ) ，w h i c hc o m p l e t e l ya u t o n o m o u sr o b o t ，t h em o s tc h a l l e n g i n g R o b o t v i s u a ls e n s o rf o rc o l o rt a r g e tc o l o rc l a s s i f i c a t i o na n dt a r g e tr e c o g n i t i o n ，a n dt h e nc o m p l e t e t

5、h ep a t hp l a n n i n g ，p l a y i n g ，s h o o t i n g ，a n do t h e rt a s k s M e d i u m - s i z e dg r o u po fr o b o ts o c c e r g a m ep r o v i d eas t a n d a r dt e s te n v i r o n m e n t f o rt h er e s e a r c ho fm a c h i n ev i s i o nt e c h n o l o g y R e s e a r c ho nt h ei

6、 l l u m i n a t i o nr o b u s t n e s so fV i s i o nS y s t e m so fR o b o C u pM i d d l eS i z eL e a g u e s o c c e rr o b o tC a nd e v e l o pm a c h i n ev i s i o na p p l i c a t i o n s ，a n dd e v e l o p m e n to fm a c h i n ev i s i o n a n di m a g ep r o c e s s i n gt h e o r yo

7、 fk n o w l e d g e O nt h eb a s i so fc o l l e c t i o na n da n a l y s i so f r e l e v a n tl i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a d ，i tm a i n l ya i m sa to f f - l i n ec o l o rc a l i b r a t i o no fr o b o t v i s i o na n di l l u m i n a t i o nr o b u s t n e s so ft h ec o l o

8、 rr e c o g n i t i o n ，t h em a i nw o r ka sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h eo f f - l i n ec o l o rc a l i b r a t i o no fr o b o tv i s i o n t h eo t t l i n ec o l o rc a l i b r a t i o ni st oe s t a b l i s ht h ec o l o rl o o k u pt a b l e t h ec o l o rl o o k u pt a b l ei s am a p p i

9、n gt a b l e ，w h i c hi st h ec o l o rv a l u e sc o r r e s p o n dt ot h ec o l o rc a t e g o r y T h es p e c i f i c p r o c e s si st h ef i r s tu s i n gt h eH S Ic o l o rs p a c et h a tt h es i t ei m a g ec o l o rc h a r a c t e r i s t i c s ；t h e i n i t i a ls e g m e n t a t i o

10、no ft h ei m a g e ，i g n o r i n gt h ei m p a c to ft h el u m i n a n c ec o m p o n e n to fi m a g e s e g m e n t a t i o n ，p e a ks e a r c ha l g o r i t h mo fH St w o - d i m e n s i o n a lc o l o rh i s t o g r a mf o rt h ei n i t i a l s e g m e n t a t i o n ；a st h ei n i t i a lv a

11、 l u e ，t h ev a l u eo ft h ei n i t i a ls e g m e n t a t i o nu s i n gf u z z yC m e a n s c l u s t e r i n gm e t h o dt oc o m p e n s a t ef o rt h et h r e s h o l dt og e n e r a t eac o l o rl o o k u pt a b l ef o r r e a l t i m eg a m ef o rt h ec l a s s i f i c a t i o no ft h ei m

12、a g ec o l o r s ( 2 ) r e s e a r c ho nt h ei l l u m i n a t i o nr o b u s t n e s so ft h ec o l o rr e c o g n i t i o n T h i sp a p e ra l s os t u d i e dh o wt oi m p r o v et h er o b u s t n e s so ft h ec o l o rr e c o g n i t i o nu n d e rt h e c h a n g i n gc o n d i t i o n si nt

13、h ei l l u m i n a t i o n F i r s ti n i t i a l i z a t i o nh u eh i s t o g r a ma n db r i g h t n e s s h i s t o g r a mo ft h es t a d i u mg r e e np i x e lb e f o r eg a m eb e g i n n i n g ；t h e nu s eo fr e v e r s ep r o j e c t i o n m e t h o dt of i n do u tt h eg r e e np i x e l

14、o nt h ec o u n tb yt h eh u eh i s t o g r a m ；R e c o r d i n gt h e b r i g h t n e s sh i s t o g r a m ，C o m p u t et h el i g h t i n gr a t eo fc h a n g eo ft h eb r i g h t n e s sh i s t o g r a mo ft h e c o u r ti nt h ec a s eo fi l l u m i n a t i o nc h a n g e s ，t h ec o m p e n s

15、 a t i o no fi l l u m i n a t i o nc h a n g e s ，u p d a t e 1 1 1 广东工业大学硕士学位论文 t h ec o l o rl o o k u pt a b l et oi m p r o v et h er o b u s t n e s so fc o l o rr e c o g n i t i o n A tt h ee n do ft h i st h e s i s ，i ts u m m a r i z e st h em a i nr e s e a r c ho ft h i st a s k , a l s

16、 op o i n t so u tt h e s h o r t c o m i n g sa n dt h ep r o b l e mw h i c hn e e d sf u r t h e rs t u d yi nt h ef u t u r e K e y w o r d s ：s o c c e rr o b o t ；c o l o rc a l i b r a t i o n ；c o l o rl o o k u pt a b l e ；c o l o rr e c o g n i t i o n ； i l l u m i n a t i o nr o b u s t

17、n e s s 目录 目录 摘寻要I A b s t r a c t I I I 目录V C o n t e n t s I X 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义l 1 2 相关国内外研究现状及分析2 1 3 本文主要研究内容及章节安排4 1 3 1 主要研究内容4 1 3 2 章节安排4 第二章R o b o c u p 足球机器人视觉系统介绍6 2 1 引言6 2 2R o b o C u p 足球机器人视觉系统的结构及原理7 2 2 1 足球机器人视觉系统的结构7 2 2 2 足球机器人视觉系统的工作原理8 2 3 足球机器人各个子视觉系统的结构及工作原理9 2 3 1 足球机

18、器人全向视觉系统的结构9 2 3 2 足球机器人全向视觉系统的工作原理1 l 2 3 3 足球机器人前向视觉系统的结构1 3 2 3 4 足球机器人前向视觉系统的工作原理1 4 2 3 5 足球机器人嵌入式视觉系统的结构1 5 2 3 6 足球机器人嵌入式视觉系统的工作原理1 6 2 4 本章小结1 7 第三章足球机器人视党的颜色离线标定1 8 3 1 颜色的离线标定与颜色查找表介绍1 8 3 1 1 颜色的离线标定l8 V 广东工业大学硕士学位论文 3 1 2 颜色查找表介绍2 0 3 2 颜色空间的选择2 1 3 2 1R G B 颜色空间2 l 3 2 2Y U V 颜色空间2l 3 2

19、 3H S I 颜色空间一2 2 3 2 4 颜色空间的选择一2 3 3 3 基于H S I 颜色空问的颜色初始分类2 5 3 3 1H S 空间的量化2 5 3 3 2 颜色初始分类2 6 3 4 基于改进的模糊C 均值聚类算法的颜色离线标定2 6 3 4 1 模糊C 均值聚类算法介绍2 6 3 4 2 基于改进的模糊C 均值聚类算法的颜色离线标定2 8 3 5 实验结果及分析3 0 3 6 本章小结3 2 第四章颜色识别的光照鲁棒性研究一3 3 4 1 足球机器人视觉系统中颜色识别的色彩漂移问题3 3 4 1 1 颜色直方图性质。3 3 4 1 2 颜色识别中的色彩漂移问题3 4 4 2

20、光照变化率向量的计算。3 5 4 2 1 光照变化率向量的简介一3 5 4 2 2 光照变化率向量的计算3 6 4 3 基于光照变化补偿的颜色识别方法3 8 4 3 1 基于参考物体的光照变化率向量的计算一3 8 4 3 2 基于光照变化率向量的光照变化补偿的颜色识别方法3 9 4 4 实验及结果分析4 0 4 4 1 实验环境一4 0 4 4 2 结果分析4 l 4 5 本章小结4 3 总结4 4 参考文献4 6 V I 目录 攻读硕士学位期间发表的论文5 0 学位论文独创性声明5l 学位论文版权使用授权声明5l 致j 射5 2 V H C o n t e n t s Co n t e n

21、t s A b s t r a c t ( I nC h i n e s e ) I A b s t r a c t ( I nE n g l i s h ) I I I C o n t e n t s ( I nC h i n e s e ) V C o n t e n t s ( I nE n g l i s h ) I X C h a p t e r1I n t r o d u c t i o n 1 1 1B a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c h 1 1 2T h es t a t u sa n

22、da n a n l y s eo fr e l a t e dr e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d 2 1 3P r i m a r yc o n t e n t so fr e s e a r c ha n dc o n s t r u c t u r eo ft h i st h e s i s 4 1 3 1P r i m a r yc o n t e n t so fr e s e a r c h 4 1 3 2C o n s t r u c t u r eo f t h et h e s i s 4 C h a p t e r2I n

23、t r o d u c t i o no ft h ev i s i o ns y s t e mo fR o b o c u pS o c c e rR o b o t 6 2 1I n t r o d u c t i o n 6 2 2S t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fs o c c e rr o b o tv i s i o n 7 2 2 1S t r u c t u r eo fs o c c e rr o b o tv i s i o n 7 2 2 2P r i n c i p l eo fs o c c e rr o b o t

24、v i s i o n 8 2 3S t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo fv a r i o u ss u b v i s i o n 9 2 3 1S t r u c t u r et Ot h eo m n i - d i r e c t i o n a lv i s i o n 9 2 3 2P r i n c i p l eo fo m n i - d i r e c t i o n a lv i s i o n 1l 2 3 3S t r u c t u r eo f t h ef r o n tv i s i o n 1 3 2 3 4P

25、 r i n c i p l eo f t h ef r o n tv i s i o n 1 4 2 3 5S t r u c t u r eo f e m b e d d e dv i s i o ns y s t e m 1 5 2 3 6W o r k i n gp r i n c i p l eo f e m b e d d e dv i s i o ns y s t e m 1 6 2 4S u m m a r yo ft h i sc h a p t c 17 C h a p t e r 3T h ec o l o ro f f i i n ec a l i b r a t i

26、o no ft h ev i s i o no fs o c c e rr o b o t 18 3 1I n t r o d u c t i o no fc o l o ro f f i i n ec a l i b r a t i o na n dc o l o rl o o k u pt a b l e 1 8 3 1 1t h ec o l o ro f f l i n ec a l i b r a t i o n 18 I X 广东工业大学硕士学位论文 3 I 2I n t r o d u c t i o no fc o l o rl o o k u pt a b l e 2 0 3

27、 2C h o i c e o f c o l o rs p a c e 2 1 3 2 1R G B c o l o rs p a c e 2 1 3 2 2Y U V c o l o r s p a c e 2 1 3 2 3H S I c o l o rs p a c e 2 2 3 2 4C h o i c eo f c o l o rs p a c e 2 3 3 3C o l o ri n i t i a lc l a s s i f i c a t i o nb a s e do nt h eH S Ic o l o rs p a c e ? 2 5 3 3 1Q u a n t

28、 i f i c a t i o no fH Ss p a c e 2 5 3 3 2C o l o ri n i t i a lc l a s s i f i c a t i o n 2 6 3 4C o l o ro f f l i n ec a l i b r a t i o nb a s e do ni m p r o v e df u z z yC - m e a n sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m 2 6 3 4 1I n t r o d u c t i o n go ff u z z yC - m e a n sc l u s t e

29、r i n ga l g o r i t h m 2 6 3 4 2C o l o ro f f l i n ec a l i b r a t i o nb a s e do ni m p r o v e df u z z yC - m e a n sc l u s t e r i n g a l g o r i t h m 2 8 3 5E x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 3 0 3 6S u m m a r yo ft h i sc h a p t e 3 2 C h a p t e r4R e s e a r

30、c ho ni l l u m i n a t i o nr o b u s t n e s so f c o l o rc l a s s i f i c a t i o n 3 3 4 1T h ep r o b l e m so fc o l o rd r i f to fv i s i o no fs o c c e rr o b o t 3 3 4 1 1T h en a t u r eo fc o l o rh i s t o g r a m 3 3 4 1 2T h ep r o b l e m so f c o l o rd r i f to f c o l o rc l a

31、s s i f i c a t i o n 3 4 4 2C a l c u a t eo ft h er a t ev e c t o ro fi l l u m i n a t i o nc h a n g e 3 5 4 2 II n t r o d u c t i o no ft h er a t ev e c t o ro fi l l u m i n a t i o nc h a n g e 3 5 4 2 2C a l c u a t eo ft h er a t ev e c t o ro fi l l u m i n a t i o nc h a n g e 3 6 4 3C

32、 o l o rc l a s s i f i c a t i o nm e t h o db a s e do nt h ec o m p e n s a t i o no fi l l u m i n a t i o nc h a n g e s 3 8 4 3 1C a l c u a t eo ft h er a t ev e c t o ro fi l l u m i n a t i o nc h a n g eb a s e do nr e f e r e n c eo b j e c t s ：；8 4 3 2T h ec o l o rc l a s s i f i c a t

33、 i o nm e t h o db a s e do nt h cc o m p e n s a t i o no fi l l u m i n a t i o n c h a n g e s 3 9 4 4E x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n da n a l y s i s 4 0 4 4 1E x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t 4 0 4 4 2A n a l y s i so f r e s u l t s 4 1 X C o n t c n t s 4 5S u m m a r yo f

34、t h i sc h a p t e 4 3 C o n l u s i o n s 4 4 R e f e r e n c e s 4 6 P a p e r sp u b l i s h e dD u r i n gs t u d y i n gf o rm a s t e rd e g r e e 5 0 O r i g i n a lA n n o u n c e m e n t 51 C o p y r i g h ta u t h o r i z a t i o n a la n n o u n c e m e n t 51 A c k n o w l e d g e m e n

35、t 5 2 X I 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 机器人世界杯足球赛( R o b o tW o r l dC u p ) 是近几年来在国际上迅速兴起的机器人 比赛项目。训练机器人进行足球比赛的设想首先是由加拿大不列颠哥伦比亚大学的 教授A l a nM a c k w o r t h 在1 9 9 2 年的论文( O ns e e i n gR o b o t s ) ) 0 , 2 】中提出来的。比赛提 供了一个标准的环境，在此基础上验证各种理论算法以及智能体的体系结构的好坏， 从而检验研究者的研究成果。研究目标是使机器人足球队能在2 0 5 0 年左右战胜人类 足

36、球冠军队。 机器人世界杯中型组足球赛( R o b o C u pM i d d l eS i z eL e a g u e ) 【3 】在1 9 9 7 年第一届 R o b o C u p 比赛中就被设为正式比赛项目，是机器人足球世界杯赛的主要项目之一。 中型组机器人足球赛的特征是要求机器人完全自主，因此此项比赛最能体现参赛队 伍的机器人研究水平，也最具挑战性，机器人的研制包括众多学科的前沿研究，例 如机器人学、图像处理与图像识别、精密机械、实时计算机控制以及多智能体协调 等，此研究已经成为人工智能新的标准问题。其中整个机器人足球比赛的关键是视 觉系统，其主要工作是从二维投影中将有用信息提

37、取出来，将图像作为输入，然后 根据图像来建立现实环境的模型，最后产生控制输出。借助于视觉系统，可以识别 出机器人的色标以及球门、球等特征，确定本方机器人、对方机器人以及球的位置 和角度，从而为比赛决策系统提供信息。 由于彩色图像包含着更多更丰富的信息，所以在球、球门等特征的识别中，彩 色图像的应用已经深入到机器人足球比赛中了，但同时也产生了新的困难，其中很 重要的一个困难是彩色图像很容易受到环境照明条件的影响。色彩所造成的特征对 照明机器敏感，随着照明的变化而发生剧烈的变化。使图像的识别与处理变得很不 稳定。对机器人视觉系统来说，能够缩少与人类的眼睛识别环境条件的差别，是一 直研究的目标。只有

38、这样才能向我们宏伟的目标进发完全自主的拟人机器人。 这意味着，在不久的将来，机器人要在自然光的条件下和户外的场地进行比赛。对 于机器人，这无疑带来了很多障碍，因为机器人必须在受控光源、人工照明或不受 广东_ y _ k 大学硕士学位论文 控光源下进行比赛。在户外，由于太阳的移动和云朵的覆盖，白天照明慢慢的改变， 从而使色彩空间产生漂移，所以机器人必须根据光照条件实时调整色彩空间。 同样，在中型组机器人足球赛中，场地的光照强度也是不均匀的。比赛现场通 常是在球场上方或四周悬挂几个白色灯，根据其分布、照射角度和场地材质的差异， 场地出现不同程度的有高亮度的区域和阴暗区域，同一颜色在不同的区域会出现

39、颜 色漂移现象，影响识别率和定位精度。而且室内光线或多或少的总要受到自然光线 变化的影响，以及在比赛期间，难免场上会出现移动人影等意外情况影响识别效果。 所以同一时间，不同的场地区域以及同一场地，不同的时间下光照强度是有差异的。 所以，在机器人足球比赛中机器人能够自动根据周围环境的变化来进行颜色自标定 对比赛有着重要的意义。为了使系统可靠工作，机器人视觉系统要具备较强的抗干 扰能力，设计出针对场地照明变化具有自适应的实时的视觉系统已经成为机器人足 球比赛中急需解决的课题。 对足球机器人视觉系统的光照鲁棒性的研究能够丰富和发展图像处理和识别 技术的理论，拓展图像处理和识别技术的应用领域。其研究成果能用于足球机器人 之外的领域。因此基于足球机器人视觉系统的光照鲁棒性研究对理论发展及实际应 用有很重要的意义，值得深入学习和研究。 1 2 相关国内外研究现状及分析 R o b o C u p 中型组机器人足球赛作为连接理论和实践的载体，此课题以机器人足 球作为研究重点，举办机器人足球比赛的目的是为了促进机器人技术、人工智能和 其他相关学科的发展。目前，国内参加中型组比赛的大学主要由上海交通大学1 4 岱J 、 东北大学