基于CPLD的服務(wù)機器人視覺(jué)系統軟硬件設計

　　隨著(zhù)計算機科學(xué)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的不同種類(lèi)的智能機器人出現在工廠(chǎng)、生活當中，機器人視覺(jué)系統作為智能機器人系統中一個(gè)重要的子系統，也越來(lái)越受到人們的重視。它涉及了圖像處理、模式識別和視覺(jué)跟蹤等領(lǐng)域。不同種類(lèi)的機器人由于工作的重點(diǎn)不一樣，它的視覺(jué)系統在軟件或硬件上都有著(zhù)細微的差別。本文研究基于服務(wù)機器人的單目視覺(jué)系統。它處理的是二維圖像，是基于對無(wú)遮擋物體顏色和形狀的識別以及3D目標物體的平動(dòng)跟蹤。

　　視覺(jué)系統是一個(gè)非常復雜的系統，它既要做到圖像的準確采集還要做到對外界變化反應的實(shí)時(shí)性，同時(shí)還需要對外界運動(dòng)的目標實(shí)時(shí)跟蹤。因此，視覺(jué)系統對硬件和軟件系統都提出了較高的要求。目前比較流行的足球機器人技術(shù)，它的視覺(jué)系統屬于比較典型的快速識別和反應類(lèi)型。一般情況下，它是通過(guò)彩色標志定標的方法來(lái)達到對隊員和目標的識別，以及通過(guò)擴展卡爾曼濾波器的預測功能來(lái)實(shí)現對目標的跟蹤功能。在硬件上，采用一個(gè)現成的攝像機來(lái)實(shí)現一個(gè)機器人的圖像采集系統。

　　本系統在設計上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類(lèi)型傳感器進(jìn)行采集圖像，DSP處理芯片 TMS320VC5509A進(jìn)行圖像處理以及作為CPU控制，在設計過(guò)程中，為了直觀(guān)顯現機器人視覺(jué)系統識別和跟蹤的效果，專(zhuān)門(mén)采用了一個(gè)TFT格式的液晶來(lái)直觀(guān)顯示。軟件上，采用了一部分足球機器人的視覺(jué)技術(shù)來(lái)達到對目標的快速識別，通過(guò)全局的特征矩構建的雅可比矩陣達到對目標的自適應跟蹤。

　　1 硬件部分設計

　　圖1為系統硬件電路的功能模塊框圖。

　　1.1 圖像采集

　　視覺(jué)鏡頭把外部的圖像信息成像在圖像傳感器的面陣單元上。目前流行的圖像傳感器有面陣CCD（Charged Coupled Device，電荷耦合器件）型和面陣CMOS兩種。相比較CCD型的圖像傳感器，CMOS圖像傳感器的有源像素單元為每一個(gè)像素提供了放大器，只需一個(gè)單供電低邏輯電平電壓，功耗只相當于CCD的十分之一。CMOS圖像傳感器內部集成了A/D轉換部分，直接輸出數字信號?；谶@些因素，本系統采用了Omnivision公司推出的 CMOS彩色圖像傳感器OV7635.

　　OV7635的分辨力為640X480，能輸出3種格式的8位數據：YCbCr4:2：2模式、 RGB4:2：2模式和RGB原始數據模式。輸出VGA格式最大可達到30fps（fps：每秒幀數）。能工作在逐行掃描下和隔行掃描下。OV7635有主模式和從模式兩種工作模式。在主模式下，同步信號和時(shí)鐘不由外圍設備控制。在從模式下，OV7635的場(chǎng)同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及系統的晶振頻率XCLK均由外部設備控制。本系統采用的是主模式。OV7635通過(guò)I2C總線(xiàn)配置片內寄存器，使其輸出原始數據。系統上電復位后，由DSP芯片的 I2C總線(xiàn)信號對CMOS寄存器初始化。然后OV7635就按要求輸出圖像信號。包括行同步信號HREF，場(chǎng)同步信號VSYNC，像素時(shí)鐘信號PCLK，數字圖像信號。

　　1.2 液晶顯示

　　為了很直觀(guān)的看到視覺(jué)系統對人的識別和跟蹤效果，采用了一片INNOLUX公司的PT035TN01液晶顯示屏。為了不增加對DSP的負擔，同時(shí)也為了實(shí)時(shí)看到對外界目標物體的跟蹤效果，液晶顯示的數據不經(jīng)由DSP，直接通過(guò)傳感器OV7635輸出的圖像數據信號和 CPLD控制時(shí)序來(lái)進(jìn)行顯示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3（RGB）×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對輸入的數據格式進(jìn)行選擇：串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺(jué)系統采用的輸入數據格式是 CCIR601格式，掃描模式為由上到下和左到右的掃描模式。

　　在CCIR601格式下，圖像傳感器輸出的像素時(shí)鐘PCLK通過(guò)CPLD二分頻作為液晶的工作時(shí)鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號HREF經(jīng)過(guò)CPLD的處理后作為液晶的行同步信號HIS，這樣，在CPLD控制下，圖像傳感器OV7635輸出的數據信號送入液晶中進(jìn)行顯示。

　　1.3 時(shí)序控制

　　OV7635輸出的場(chǎng)同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及像素時(shí)鐘信號PCLK接至CPLD芯片，產(chǎn)生控制信號把OV7635輸出的數據信號存入FIFO幀存儲器AL422B中，以及產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘和行同步信號控制液晶的顯示。CPLD采用了ALTERA公司的EPM7064芯片。在CPLD中完成了對FIFO的寫(xiě)控制、通知DSP讀信號、液晶的時(shí)鐘信號的產(chǎn)生等功能。

　　CPLD接收場(chǎng)同步信號VSYNC，此信號的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開(kāi)始，此時(shí)CPLD產(chǎn)生WRST負脈沖復位FIFO的寫(xiě)指針。場(chǎng)同步信號VSYNC下降沿后，判斷行同步信號HREF的上升沿到來(lái)，接著(zhù)利用像素時(shí)鐘信號PCLK作為寫(xiě)時(shí)鐘 WCK將圖像數據直接存儲到FIFO中，當存到一定的數后，就及時(shí)發(fā)信號給DSP，以便DSP讀取數據，本系統采用的是一個(gè)中斷INT0來(lái)通知DSP.此時(shí)DSP可以讀數據也可以不讀，視處理的速度來(lái)定。讀數據時(shí)，可利用RD和片選，產(chǎn)生RCK信號。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫(xiě)速度為原則。

　　在對液晶的邏輯時(shí)序控制上，由于圖像輸出的信號是640×480的像素，而液晶的顯示為 320×240的格式。所以利用CPLD把圖像傳感器輸入的像素時(shí)鐘信號PCLK進(jìn)行二分頻產(chǎn)生液晶的時(shí)鐘信號控制液晶的顯示，同時(shí)對行同步信號進(jìn)行隔行有效從而達到液晶對圖像的顯示。CPLD中的程序編寫(xiě)用的采用了硬件描述語(yǔ)言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺上進(jìn)行編寫(xiě)的。由于在選用芯片時(shí)采用的是EPM7064S系列的44腳PLCC封裝的，只能工作在5V電壓情況下，其輸出的高電平信號是5V，必須通過(guò)處理才能接入系統中工作在3.3V狀態(tài)下的芯片器件。

　　1.4 幀存儲器選擇

　　幀存儲器有需要外部提供地址線(xiàn)的RAM和不需要外部提供地址線(xiàn)的FIFO，為了簡(jiǎn)化CPLD的設計。采用了FIFO的幀存儲器。FIFO又可以分為基于動(dòng)態(tài)存儲的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM.基于靜態(tài)SRAM的優(yōu)點(diǎn)是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數據；基于DRAM的優(yōu)點(diǎn)是容量大，只需一片就能存儲一幀數據，缺點(diǎn)是必須有刷新電路。本設計中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動(dòng)態(tài)存儲芯片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的存儲容量為3MB，由于系統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，可存儲1幀圖像的完整信息，其工作頻率可達50MHz.

　　1.5 視頻處理DSP

　　在選用DSP時(shí)，在兼顧處理速度，存儲容量，現有條件下的加工工藝水平，以及性?xún)r(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到200MHz，具有很高的處理速度。

　　DSP收到來(lái)自CPLD的讀通知信號后開(kāi)始讀取AL422B中的視頻數據。為了方便處理數據，在DSP外圍擴展了一個(gè)的SDRAM.芯片采用的是HYNIX公司的HY57V161610E，此芯片的存儲容量為1M×16bits.

　　當DSP上電復位后，通過(guò)采樣GPIO0~GPIO3的狀態(tài)，根據采樣的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行什么樣方式的程序裝載。本系統的采用外接的flash存儲芯片的SPI口對DSP進(jìn)行程序裝載，接著(zhù)通過(guò)DSP的I2C口對圖像傳感器進(jìn)行寄存器初始化。圖像傳感器開(kāi)始輸出信號。整個(gè)系統開(kāi)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(jué)系統要完成識別和跟蹤功能，數據的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時(shí)，DSP也作為控制器使用完成對控制器的控制，從而構成視覺(jué)跟蹤系統。

　　2 軟件部分設計

　　由于本系統采用的是顏色和形狀相結合的辦法對無(wú)遮擋目標物體的識別。為了達到機器人實(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器人的顏色識別方法，目前比較常見(jiàn)是基于閾值向量的顏色判斷法。下面簡(jiǎn)述顏色識別原理。

　　2.1 色彩空間選擇

　　對于采用基于彩色圖像分割的方法識別目標時(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識別的效果。

　　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(jué)差異與空間中兩點(diǎn)間的歐氏距離不成線(xiàn)性比例，而且R、G、B值之間的相關(guān)性很高，對同一顏色屬性，在不同條件（光源種類(lèi)、強度和物體反射特性）下，RGB值很分散，對于識別某種特定顏色，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(jiàn)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（Hue），S為色飽和度（Saturation），V 為亮度（Value）。色調H能準確地反映顏色種類(lèi)，對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(xiàn)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(xiàn)性變化為的亮度-色彩空間。是為了解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問(wèn)題而提出的。Y表示亮度（Luminance），UV用來(lái)表示色差（Chrominance）。YUV表示法的重要性是它的亮度信號（Y）和色度信號（U、 V）是相互獨立的。所謂色差是指基色信號中的3個(gè)分量信號（即R、G、B）與亮度信號之差。

　　因此，針對以上原因，本系統在采用的是YUV色彩空間。

　　YUV格式與RGB存在如下關(guān)系：