拉普拉斯算法在机器视觉系统中的应用

摘 要 ：“巡线机器人”是一套基于Mini6410开发板开发设计的嵌入式产品,该款机器人可自主沿线进行运动,适用于无人工厂机器人沿线运送零部件.机器人的运行状态时刻显示在手持客户端,用户可以随时查看机器人的工作情况,当机器人偏离运动轨道,用户还可以通过手持客户端向机器人发送指令,指挥机器人回归到正常的轨道上.该产品对图像的传输速度和清晰度都有严格的要求,为了提高图像的清晰度,该文应用拉普拉斯算法对图像进行后期处理,对图像进行锐化处理.

关 键 词 ：Mini6410；ZigBee；S3C6410；USB摄像头；拉普拉斯算子

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）36-8381-03

目前,巡线机器人可以在无人工厂得到广泛的应用,该机器人可以自主的沿着预先画好的线,即运动轨迹进行运动,通过采集灰度传感器的信息,感知线的位置,采用一定的策略进行路径规划,从而指导机器人的沿着线进行运动.操作人员可以随时随地观察机器人的运动状态,对机器人进行监控,当发现机器人偏离运动轨迹,对机器人进行受动控制,向其发送运动指令,指挥机器人回归到正常的位置.

巡线机器人有自主运动和被动运动两种方式,视频传输的速度和图像的清晰度影响着产品的性能,为了提高图像的清晰度,该文利用拉普拉斯算法对视频捕获的图像进行后期处理,通过对图像进行锐化处理,大大提高了产品的性能.

1.系统硬件设计

根据巡线机器人运行的环境,包括手持客户端、怎么写作器、巡线机器人三部分构成.客户端和怎么写作器是由友善之臂的Mini6410开发板担当；巡线机器人的核心控制系统是Keil C51,配备灰度传感器系统.客户端通过ZigBee与巡线机器人进行通信,用于监控巡线机器人的运动状态,将其运动轨迹动态的显示在手持客户端上.当巡线机器人偏离正常的运动轨迹时,客户端与怎么写作器进行连接,开启摄像头进行图像拍摄,怎么写作器通过无线网络,将处理后的图像传输给客户端,用户根据图像信息,在客户端侧向机器人发送运动命令,指挥机器人回归到正常的位置,从而保持巡线机器人始终沿着线进行运动.

系统硬件的设计主要包括对客户端、怎么写作器、巡线机器人的设计,根据产品功能的要求,设计如下：

1）巡线机器人的核心控制系统采用Keil C51；运动装置采用轮式运动机构,包括1个支撑轮和2个动力驱动轮1.运动控制系统采用步进电机驱动；传感器系统主要包括灰度传感器和红外测距仪和超声测距仪.

2）客户端是一块友善之臂的 Mini6410,通过ZigBee与外界进行通信.向Mini6410的串口发送指令,通过ZigBee转化为无线信号,由巡线机器人进行交互2.

3）怎么写作器也是由一块友善之臂的Mini6410,配备由摄像头,与巡线机器人工作在同一环境下,一般将怎么写作器放置在巡线机器人工作的上方,从而保证怎么写作器能够捕获到巡线机器人的准确位置,与客户端的通信是通过无线Wifi实现的,通过建立udp连接,将图像传送给客户端.

客户端不仅要与巡线机器人进行通信,还可以与怎么写作器进行通信,当巡线机器人在正常工作状态下,客户端仅与巡线机器人进行交互,巡线机器人将当前的状态信息发送到串口,通过ZigBee设备将串口信号转换为无线信号,此时客户端就可以收到来自巡线机器人的信息,将其运动状态显示在LCD屏中,操作者通过手持客户端就可以观察到机器人的当前的运动位置3.而当机器人偏离轨道,即处于进而正常工作状态下,客户端需要与怎么写作器建立连接,查询巡线机器人的具体位置,开启摄像头拍摄图像,让巡线机器人处于受动运动状态,走回到正常的位置.

2.图像锐化处理

摄像头位于怎么写作器端,在Mini6410内核裁剪过程中设置摄像头拍摄图片的参数（如大小和图像格式）,签于图像要显示在Mini6410的触摸屏上,因此将图片的大小设置为320*240,图片格式设置为jpeg格式.由于摄像头放置在巡线机器人工作场地的上方,两者距离比较大,因此图像的清晰度不是很高,为了提高图像的清晰度,将拉普拉斯算法应用到图像的后期处理中.

为了使图像的边缘、轮廓线以及图像的细节变得清晰,对摄像头拍摄到的图像进行锐化处理.经过平滑的图像变得模糊的根本原因是因为图像受到了平均或积分运算,因此可以对其进行逆运算（如微分运算）就可以使图像变得清晰4.

拉普拉斯算子是n维欧几里德空间中的一个二阶微分算子,定义为梯度（▽f）的散度（▽·f）.因此如果f是二阶可微的实函数,则f的拉普拉斯算子定义为：[Δf等于2f等于f],拉式算子是一个刻画图像灰度的二阶商算子,它是点、线、边界提取算子,亦称为边界提取算子.拉普拉斯算子还可以表示成模板的形式,该文采用的模板为[0-10-12-10-10],从模板形式容易看出,如果在图像中一个较暗的区域中出现了一个亮点,那么用拉普拉斯运算就会使这个亮点变得更亮,因为图像中的边缘就是那些灰度发生跳变的区域25,软件处理的流程如图2所示.为了简化编码忽略了图像边界,i,j的初值设定为0,最大值分别是行h和列w,从图像看,对于整体效果没有影响.

图2 图像处理流程图

鉴于怎么写作器与客户端之间传输的是图像,采用的是UDP通信.为了减轻客户端的工作任务,图像的后期处理放在怎么写作器端进行,当摄像头拍摄到图像后,直接进行图像的后期处理,将处理后的图像通过UDP通信传输给客户端,最终在客户端显示图像.

摄像头捕获的图像尺寸是320 X 240的JPEG格式的图像,图像的长是image.width（）,宽是image.height（）,逐行进行变换,变换代码如下： for（i 等于 1； i < h - 1； i++）

{ for（j 等于 1； j < w - 1； j++）

{ k 等于 buffer[i * w + j]；

k 等于 plex（k.real（） * 2, 0）；

k -等于 buffer[（i - 1） * w + j]；

k -等于 buffer[i * w + j - 1]；

k -等于 buffer[i * w + j + 1]；

k -等于 buffer[（i + 1） * w + j]；

currentImageData[i * w + j] 等于 k； } }

3.实验结果

经过以上方法,应用拉普拉斯算子对图像进行锐化处理,突出了图像的边缘特征,使图像更清晰,变换前后的效果如图3所示.结过处理后,图像的质量大量提高,便于操作人员观察巡线机器人的状态,从而提高了产品的性能.

图3 锐化前、后效果图

4.结束语

实验证明应用适当的、科学的图像处理方法,能大大提高图像的质量,从而提高视觉机器人的性能,在巡线机器人中使用拉普拉斯算法对图像进行处理,图像的清晰度等到了大大的提高,如果结合图像裁剪等图像处理方法,压缩图像存储空间,会得到更好的效果.