【正文】 機(jī)器人的視覺(jué)，用于檢測(cè)和測(cè)量的視覺(jué)。模式識(shí)別使用各種方法從信號(hào)中提取信息，主要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論。還有一個(gè)領(lǐng)域被稱為成像技術(shù)。例如，醫(yī)學(xué)成像就包含大量的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的圖像分析。 空間定位雙目成像原理本系統(tǒng)火災(zāi)空間定位算法采用雙目成像算法。圖31給出雙目成像的一個(gè)示意圖，圖中的兩個(gè)鏡頭中心間的連線稱為系統(tǒng)的基線B。當(dāng)攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)和世界坐標(biāo)系統(tǒng)重合后，像平面與世界坐標(biāo)系統(tǒng)的XY平面也是平行的。如果攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)和世界坐標(biāo)系統(tǒng)不重合，可先進(jìn)性坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)使其重合再投影。(2)從攝像機(jī)坐標(biāo)(x,y,z)到無(wú)失真像平面坐標(biāo)(x,y)的變換是： (32) (33)(3)從無(wú)失真的像平面坐標(biāo)(x,y)到受鏡頭徑向失真影響而偏移的實(shí)際像平面坐標(biāo)(x,y)的變換是： (34) (35)其中疋和R，代表鏡頭的徑向失真，它們可表示為： (36) (37)其中 (38)由于在實(shí)際中r的高次項(xiàng)可以忽略，式中k=kl。最后，式(39)中的口是一個(gè)取決于CCD攝像機(jī)的不確定圖像尺度因子。在這種情況下雙目成象可借助圖3來(lái)分析，那里給出兩鏡頭連線所在平面(XZ平面)的示意圖。如果將第二個(gè)攝像機(jī)移動(dòng)到世界坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)，則W點(diǎn)的X坐標(biāo)可表示為:　 (316) 因?yàn)榛€長(zhǎng)度是B且W點(diǎn)的Z坐標(biāo)對(duì)兩個(gè)攝像機(jī)坐標(biāo)系統(tǒng)是一樣的，所以有： (317)　　 (318)將式(3－4)和式(3－5)代入式(3－1)和式(3－2)中得到:　　 (319) (320)用式(3－7)減去式(3－6)可解出Z，即有: (321) 上式把物體與像平面的距離Z(即3－D信息中的深度)與視差D(像坐標(biāo)X2和X1的差)直接聯(lián)系了起來(lái)，視差的大小與深度有關(guān)，所以視差中包含了3－D物體的空間信息。另外Z坐標(biāo)確定后W點(diǎn)的世界坐標(biāo)X和Y可用(X1,Y1)或(X2,Y2)借助式(3－9)和式(3－10)算得。由第三章和本章的敘述可知，帶紅外濾鏡的攝像頭是在火災(zāi)探測(cè)算法中起主要作用，并在火災(zāi)空間定位算法中作為雙目探測(cè)中的一個(gè)攝像頭參與計(jì)算。另一個(gè)重要作用就是需要作為雙目定位中的另一個(gè)攝像頭參與計(jì)算，確定火災(zāi)的空間位置。筆者將兩種獲取彩色圖片中火災(zāi)位置的方法引入火災(zāi)空間定位的計(jì)算，對(duì)前人的研究工作做了重要的補(bǔ)充和發(fā)展。作為訓(xùn)練用的火焰圖像應(yīng)是典型的，能夠在比較大的范圍內(nèi)代表火焰的顏色。邏輯圖中，每點(diǎn)的值只有兩種:0和1。 (2)建立查詢表。如果其對(duì)應(yīng)的邏輯圖中的位是0，則在查詢表中以火焰圖像中那個(gè)像素的顏色為中心，減去一個(gè)高斯分布。得到一個(gè)顏色查詢表 當(dāng)輸入一個(gè)RGB顏色時(shí)，可以得到這個(gè)顏色是否為火焰顏色的邏輯值。K1是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值，它隨環(huán)境不同而有所變化。 通過(guò)查詢表即可以對(duì)彩色圖像進(jìn)行顏色標(biāo)注。根據(jù)雙目定位中兩個(gè)攝像頭距離不會(huì)太遠(yuǎn)的特點(diǎn)，火災(zāi)區(qū)域在圖片中的位置也將相差不大，由此就可以找出與紅外圖像中相對(duì)應(yīng)的火災(zāi)區(qū)域了。這種方法主要分析火災(zāi)火焰在人的視覺(jué)系統(tǒng)中的特征。 由于RGB顏色模型相對(duì)于人的視覺(jué)系統(tǒng)并不直觀，因此這里需要轉(zhuǎn)換顏色模型。HSI模型中，色調(diào)和飽和度是人類感知顏色的方法。色調(diào)參數(shù)表示了不同的顏色，飽和度參數(shù)是對(duì)顏色深淺的度量。圖33　HSI顏色模型示意圖HSI模型的色調(diào)H是由顏色名稱來(lái)辨別的，如紅、橙、綠等，用角度度量；亮度I是顏色的明暗程度，通常用百分比度量，從黑(0%)到白(100%)；飽和度S指顏色的深淺，例如同樣是紅色，可分為深紅和淺紅，用百分比來(lái)度量，從0%到完全飽和的100%。給定一幅RGB顏色格式的圖像，每一個(gè)RGB像素和H分量可用公式 (324)得到： (324)此處 (325)色飽和度分量由式(326)給出： (326) 最后，亮度分量由式(327)給出： (327) 其中，R，G和B分別是RGB顏色空間的紅、綠和藍(lán)色分量；H，S和I分別是HSI顏色空間的色調(diào)、飽和度和亮度顏色分量。在這里，色調(diào)的餅圖可分為6個(gè)部分，如圖34所示。另外，在彩色攝像頭獲取的視頻圖片中，火焰的飽和度會(huì)隨背景亮度的變化而變化。因此需要考慮所在環(huán)境的亮度情況。根據(jù)雙目定位中的兩個(gè)攝像頭距離不會(huì)太遠(yuǎn)的特點(diǎn)，火災(zāi)區(qū)域在圖片中的位置也將相差不大，由此就可以找出與紅外圖像中相對(duì)應(yīng)的火災(zāi)區(qū)域了。在大空間滅火系統(tǒng)中，監(jiān)視保護(hù)的最遠(yuǎn)距離在30~100米以內(nèi)，根據(jù)保護(hù)距離的遠(yuǎn)近，攝像頭視角在之間。當(dāng)滅火系統(tǒng)的保護(hù)距離為100米時(shí)，攝像頭水平視角一般為，垂直視角一般為。通過(guò)對(duì)比。在理想情況下，兩個(gè)攝像頭所攝得的目標(biāo)物體在圖片上的位置偏移應(yīng)有16個(gè)像素。下面計(jì)算一下出現(xiàn)誤差時(shí)的情況。這樣，根據(jù)相似三角形原理，計(jì)算得到的距離攝像頭的位置為: (330)!因此，需要對(duì)傳統(tǒng)的雙目定位算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高精確度。 當(dāng)高壓水炮轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，前后兩次攝像機(jī)位置的之間位移就構(gòu)成了基線，對(duì)攝像機(jī)在不同位置采集的圖像進(jìn)行火源區(qū)域匹配之后便求得視差，這樣就構(gòu)成了雙攝像機(jī)進(jìn)行空間定位的兩個(gè)要素。圖35火源、攝像機(jī)、物方坐標(biāo)系的關(guān)系圖圖35中：0XYZ——物方坐標(biāo)系；f——攝像機(jī)焦距；D——水炮轉(zhuǎn)軸到攝像機(jī)位置的距離；——時(shí)刻圖像坐標(biāo)系；——時(shí)刻圖像坐標(biāo)系；——時(shí)刻火源圖像坐標(biāo)；——時(shí)刻火源圖像坐標(biāo)；——時(shí)刻攝像機(jī)光軸與Z軸的夾角；——時(shí)刻攝像機(jī)光軸與Z軸的夾角；S——火源中心距物方坐標(biāo)系原點(diǎn)距離；——火源中心與Z軸的夾角； 圖35是發(fā)現(xiàn)火災(zāi)后的t1t2時(shí)刻的火源、攝像機(jī)、物方坐標(biāo)系的關(guān)系。在物方坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間我們得到如下關(guān)系： (331) (332) ，視平面上的點(diǎn)p(x,y)與空間中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)p(X,Y,Z)有如下的關(guān)系： (333)將等式(333)帶入(331)、(332)得到式(334)： (335)其中： (336) 這樣，就可以求出火源距水炮轉(zhuǎn)軸的距離d和火源與水炮炮管中軸的夾角。但是，火災(zāi)火焰是一個(gè)不斷動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，中間必然存在誤差。(2)以較小的步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)水炮，同時(shí)攝像機(jī)連續(xù)采集圖像，不斷標(biāo)記火源區(qū)域重心與圖像中心比較確定移動(dòng)方向，當(dāng)火源重心到達(dá)圖像左邊緣時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此作為t1時(shí)刻，火源區(qū)重心的像素坐標(biāo)為并記錄下當(dāng)前電機(jī)的水平角度反饋。(3)電機(jī)水平向步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)火源重心到達(dá)圖像右邊緣中央時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此外通過(guò)雙目定位算法計(jì)算第三組火災(zāi)空間位置。5)對(duì)五組空間位置分別賦信度，滿足由此計(jì)算可得空間位置的修正值(x，y，z)。4 高壓水炮的空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 基于圖像型火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)中的高壓水炮定位，其主要關(guān)鍵是利用雙目攝像機(jī)成像原理，獲取同一時(shí)間的不同的火災(zāi)狀態(tài)圖片，對(duì)其進(jìn)行數(shù)字圖像處理，通過(guò)計(jì)算機(jī)提取火災(zāi)圖像，排除干擾，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行分析，最后根據(jù)圖像的特征，利用Matlab對(duì)其進(jìn)行處理并計(jì)算，求出火源距水炮轉(zhuǎn)軸的距離d和火源與水炮炮管中軸的夾角，有了這兩個(gè)數(shù)據(jù)，就可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)高壓水炮進(jìn)行及時(shí)和準(zhǔn)確的自動(dòng)滅火。 (1)利用攝像機(jī)獲取火災(zāi)圖片，再將火災(zāi)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為攝像機(jī)坐標(biāo)； (2)將攝像機(jī)獲取的圖片經(jīng)處理轉(zhuǎn)化為幀圖片，用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理，排除干擾；(3)將排除干擾后的圖片進(jìn)行二值化處理，提取火災(zāi)中心點(diǎn)坐標(biāo)，再利用之前的空間定位的方法將其通過(guò)算法處理，仿真得到火源距水炮轉(zhuǎn)軸的距離和火源與水炮炮管轉(zhuǎn)軸的夾角。 高壓水炮的空間定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本文是在圖像型火災(zāi)探測(cè)的基礎(chǔ)上，以及實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)空間幾何定位的基礎(chǔ)上利用matlab進(jìn)行空間幾何定位的仿真的研究，即如何利用matlab將空間幾何定位轉(zhuǎn)換為用計(jì)算機(jī)控制計(jì)算的算法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)定位參數(shù)的運(yùn)算，再驅(qū)動(dòng)高壓水炮進(jìn)行滅火。 (41) (42)其中： (43) (44) (45)f——攝像機(jī)焦距；D——水炮轉(zhuǎn)軸到攝像機(jī)位置的距離；——時(shí)刻火源圖像坐標(biāo)；——時(shí)刻火源圖像坐標(biāo)；——時(shí)刻攝像機(jī)光軸與Z軸的夾角；——時(shí)刻攝像機(jī)光軸與Z軸的夾角；這樣，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理后獲得的火源在和時(shí)刻的圖像坐標(biāo)，和，時(shí)刻攝像機(jī)光軸與Z軸的夾角、以及水炮轉(zhuǎn)軸到攝像機(jī)位置的距離D，便可計(jì)算出火災(zāi)的空間位置(X,Y,Z),通過(guò)Y和Z就可以求出火源距水炮轉(zhuǎn)軸的距離d和火源與水炮炮管中軸的夾角。作為一種新的技術(shù)，已經(jīng)得到了實(shí)際的應(yīng)用，圖像型火災(zāi)監(jiān)控技術(shù)運(yùn)用了多種圖像處理和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，在火焰圖像的處理中，火焰圖像分割技術(shù)對(duì)火焰圖像的提取具有重要的意義；計(jì)算機(jī)視覺(jué)理論是火災(zāi)空間定位的關(guān)鍵。 在本次研究過(guò)程中遇到了很多困難，比如在用matlab對(duì)火災(zāi)圖像仿真處理的過(guò)程中，將空間幾何定位方法轉(zhuǎn)換為用matlab程序控制，遇到了函數(shù)應(yīng)用不當(dāng)而程序無(wú)法運(yùn)行的問(wèn)題，以及在空間定位過(guò)程中將三維空間轉(zhuǎn)換為二維平面時(shí)坐標(biāo)的等價(jià)代換的理解等等，最后經(jīng)過(guò)與查資料和聽(tīng)取同學(xué)的講解，最終完成了本次課題的研究。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)也使我認(rèn)清了自己的不足，為我以后的工作和學(xué)習(xí)奠定