基于紅外小目標(biāo)識別的空中鼠標(biāo)解決方案

李震 鄭建寶 朱振馳 林耀聰

摘要：該文提出一種基于運動物體DBT（detect before track）背景消除法識別紅外小目標(biāo)，并將其應(yīng)用于空中鼠標(biāo)中。實驗主要經(jīng)過色彩空間轉(zhuǎn)換、閾值分割、圖像開運算、連通分析后進行目標(biāo)識別，并通過攝像頭標(biāo)定獲取識別目標(biāo)在視野中的相對位置。通過單片機以及2.4G通信模塊，將除位置信息以外的控制信息傳遞到電腦。以電腦進行位置運算，單片機進行控制。實驗結(jié)果表明，該方案識別的目標(biāo)精度較高，價格低廉，具有一定應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 紅外小目標(biāo)識別； 圖像處理； 攝像頭；空中鼠標(biāo)， Matlab

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）05-1021-03

Air Mouse Solution Based on the IR Small Target Recognize

LI Zheng，ZHENG Jian-bao，ZHU Zhen-chi，LIN Yao-cong

（South China Agricultural University，College of Engineering，Guangzhou 510642，China）

Abstract： In this paper， we have proposed one method to identify the infrared small target based on moving object DBT （detect before track） background elimination， and applied it to the air mouse. The target is recognized mainly through the steps below： color space conversion， threshold segmentation， image open operation， connection area analysis， and then identify the target relative position in the field of vision captured .By MCU（micro-controller unit） and 2.4G communication module， the control information will be transmitted to the computer. Recognized the position by computer and control by the MCU. The result shows that the proposed scheme has higher target accuracy， lower price and a certain application prospect.

Key words： IR small target recognition， Image Process， Camera， Air Mouse， Matlab

1 概述

鼠標(biāo)在計算機領(lǐng)域一直有著深遠(yuǎn)的影響，鼠標(biāo)的發(fā)展從有線的機械滾輪鼠標(biāo)、光電鼠標(biāo)到無線鼠標(biāo)的誕生?？罩惺髽?biāo)作為一種全新的理念走進人們的身活中，它能像傳統(tǒng)鼠標(biāo)一樣操作屏幕光標(biāo)，但卻不需要放在任何平面上，在空中晃動就能直接使用。自由方便是它的特性，例如在辦公領(lǐng)域可以當(dāng)作簡報筆，讓做PPT演示的人員不再需要坐在會議桌上擺弄電腦，就可以遙控操作；在家用娛樂上配合電視或者HTPC在客廳使用。

目前市場上存在的空中鼠標(biāo)解決主要有兩種，其一是通過螺旋儀對空中鼠標(biāo)移動的空間角度進行測量，并通過大量算法進行處理，該方案缺點比較明顯，鼠標(biāo)移動是并不能真正按照人的意愿工作，而在鼠標(biāo)橫向勻速運動的問題上面也沒有得到解決；另一種解決方案是基于紅外（IR）圖像處理，其原理是用圖像傳感器（CMOS Image Sensor）來捕捉紅外圖像，利用圖像處理和模式識別技術(shù)計算運動物體位置信息，并通過單片機傳遞單、雙擊等多種控制信息，從而控制屏幕光標(biāo)。其位置信息與控制信息均由單片機負(fù)責(zé)傳遞，受限于單片機的性能該方案的處理效率較低。

本文提出一種電腦攝像頭捕獲圖像信息并進行處理，單片機負(fù)責(zé)傳遞控制信息的空中鼠標(biāo)方案。受益于電腦的運算能力，圖像識別的精度以及效率都得到較大提高。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本實驗所設(shè)計軟件基于Matlab平臺，所用到Matlab的工具箱有圖像處理工具箱（IPT）、GUIDE圖形界面編輯器和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱。軟件設(shè)計包括：圖像獲??；圖像處理和識別（分類）；圖形用戶界面。

2.1 圖像獲取

Matlab可對已裝驅(qū)動的攝像頭進行啟動和控制。利用一些圖像獲取函數(shù)，我們可以輕松實現(xiàn)對攝像頭的控制，定時抓拍和手動抓拍。圖像獲取主要包括以下操作：查詢USB2.0攝像頭的具體參數(shù)（imaqhwinfo）；創(chuàng)建視頻輸入對象（videoinput）；圖像預(yù)覽和顯示（preview、stoppreview、closepreview和image）；獲取視頻圖像（getsnapshot）；圖像獲取設(shè)備的獲取和設(shè)置（get和set）；關(guān)閉視頻對象（delete）。

2.2 圖像處理

2.2.1 圖像處理流程

圖像處理模塊主要完成對紅外小目標(biāo)的獲取以及識別。由于目標(biāo)小，可能僅為幾個到十個個像素，時常表現(xiàn)為孤點或斑點，而且目標(biāo)為光源，容易受到周圍光環(huán)境影響。經(jīng)過對比光流法、偵差分法以及DBT（detect before track）背景消除法三種方法的優(yōu)劣以及實際實驗效果，我們決定選用基于基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波的DBT背景消除法。

DBT背景消除法主要流程如圖1所示：

圖1 DBT背景消除法

輸入至中值濾波各步驟處理結(jié)果如圖2所示：

（a）原圖 （b）灰度圖

（c）自動閾值分割 （d）利用中值濾波做平滑處理

圖2 輸入原圖至中指濾波各步驟處理結(jié)果

2.2.2 圖像開運算

利用圖像開運算做背景估計：

通過選取合適的結(jié)構(gòu)元素對紅外圖象進行開運算就可以去除小目標(biāo)，使圖像中只剩下背景。

背景估計=[（f?g）（x，y）]。背景提取結(jié)果如圖3所示：

圖3 背景提取結(jié)果

2.2.3 目標(biāo)特征提取并作連通量分析

圓形性C是是對一個區(qū)域R所有邊界點定義的特征量：[C=μRσR]，其中[μR]為區(qū)域重心到邊界[σR]點的平均距離，為區(qū)域重心到邊界點的距離的均方差，且：

當(dāng)R趨向于原型是，特征量C是單增趨向無窮的，不受區(qū)域評議、旋轉(zhuǎn)和尺度變化的影響。目標(biāo)提取后作連通量分析結(jié)果如圖4所示：

（a）目標(biāo)提取結(jié)果 （b）連通量分析結(jié)果

圖4 目標(biāo)提取、連通量分析結(jié)果

2.2.4 目標(biāo)坐標(biāo)確定

通過獲取目標(biāo)質(zhì)心，并計算目標(biāo)質(zhì)心在攝像頭獲取的圖像中的x坐標(biāo)與y坐標(biāo)，從而映射到電腦屏幕的對應(yīng)位置，并驅(qū)動鼠標(biāo)移動至對應(yīng)位置。其基本界面如圖5所示：

圖5 基本界面設(shè)計

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件部分負(fù)責(zé)發(fā)射紅外光，并且將鼠標(biāo)的控制信息傳遞至電腦中。主要包括硬件控制電路以及通信電路。

3.1 MSC-51（AT89S51）單片機控制模塊

本實驗采用MSC-51單片機實現(xiàn)對數(shù)據(jù)處理的控制部分，由于51單片機沒有SPI借口，需要在端口上模擬SPI時序。單片機主要用于無線發(fā)射模塊的控制與相關(guān)數(shù)據(jù)信息的處理。單片機同時與按鍵連接，便于使用按鍵模擬鼠標(biāo)左右單擊。

3.2 2.4G無線通信模塊

通信部分使用無線通信的2.4G技術(shù)，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學(xué)、 醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間。所以簡稱為2.4G無線技術(shù)。這個頻段里屬國際規(guī)定的免費頻段，不需向國際相關(guān)組織繳納任何費用的，為技術(shù)可發(fā)展性提供了有利條件。

相比藍(lán)牙以及27MHz這三種常用的無線傳輸技術(shù)，2.4G有著自己獨到的優(yōu)勢所在。相比藍(lán)牙它的產(chǎn)品制造成本更低，提供的數(shù)據(jù)傳輸速率更高。相比同樣免費的27MHz無線技術(shù)它的抗干擾性、最大傳輸距離以及功耗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。

本項目使用nRF24L01的2.4G無線收發(fā)模塊，實現(xiàn)單片機與計算機之間的通信。其連接流程圖如圖6所示：

圖6 基本界面設(shè)計

4 結(jié)論

本文研究紅外小目標(biāo)識別在空中鼠標(biāo)中的應(yīng)用，并提出了一種電腦端進行位置計算，外設(shè)進行鼠標(biāo)控制的方案。實驗證明，基于DBT的背景消除法對紅外小目標(biāo)識別的精度較高，且電腦端進行運算能有效地提高效率。然而本文研究基于Matlab平臺，且依賴于電腦攝像頭進行視頻采集，對所有電腦的適用性需要進一步研究。 （下轉(zhuǎn)第1035頁）

（上接第1023頁）

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