運(yùn)動(dòng)物體輪廓掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金　建，閃靜潔，黃小平

（安徽新華學(xué)院　電子通信工程學(xué)院，安徽　合肥230088）

運(yùn)動(dòng)物體輪廓掃描系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

金建，閃靜潔，黃小平

（安徽新華學(xué)院電子通信工程學(xué)院，安徽合肥230088）

設(shè)計(jì)了多模塊電路和MK60DN512最小系統(tǒng)，增加了對(duì)輪廓圖像的濾波和邊緣的處理算法，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)物體輪廓的掃描和顯示。系統(tǒng)通過光電管組成的采集模塊采集數(shù)據(jù)，由MK60DN512單片機(jī)組成的主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊發(fā)送，由接收模塊接收并在液晶屏上實(shí)時(shí)顯示。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r(shí)、清晰地捕捉兩個(gè)不同運(yùn)動(dòng)速度的物體的二維輪廓圖，而且能夠記錄和顯示物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、速度等參數(shù)。

MK60DN512；光電管；無線模塊；輪廓；邊緣檢測(cè)

運(yùn)動(dòng)物體輪廓掃描在目標(biāo)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與跟蹤以及視頻壓縮等方面都起著重要作用，例如通過判別路口物體輪廓，可以區(qū)分行人、自行車和汽車。目前有很多種運(yùn)動(dòng)物體輪廓檢測(cè)方法，例如采用背景減法提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的輪廓，然后運(yùn)用輪廓的邊界不變矩特征和形態(tài)學(xué)特征，構(gòu)建一個(gè)輪廓特征向量的模型［1］。本文擬設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳送、處理和顯示，能通過圖像算法檢測(cè)出圖像的輪廓特征圖，同時(shí)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)物體通過檢測(cè)設(shè)備的速度和時(shí)間，且需具有識(shí)別精度高、運(yùn)行效率高、實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)。

1　總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)總體上分為發(fā)射端和接收端，按模塊可以劃分為信息采集模塊、電源模塊、主控模塊、圖像顯示模塊、無線發(fā)送與接收模塊以及按鍵模塊。如圖1和圖2所示。

運(yùn)動(dòng)物體輪廓的檢測(cè)和顯示主要由兩部分組成：一部分是數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送，即傳感接收部分接收光電傳感器發(fā)來的數(shù)據(jù)，并傳給最小系統(tǒng)，最小系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)和時(shí)間周期進(jìn)行分析處理，并將結(jié)果傳送給手持設(shè)備；另一部分是發(fā)送端數(shù)據(jù)的接收，并根據(jù)有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）顯示模塊的分辨率處理圖像信息，使物體輪廓能夠自適應(yīng)地在OLED上顯示。同時(shí)，接收端也可以通過無線信號(hào)控制傳感器采集數(shù)據(jù)，并計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度大小。

圖1　系統(tǒng)發(fā)射端

圖2　系統(tǒng)接收端

2　硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1硬件系統(tǒng)構(gòu)成

20只光電開關(guān)［2］單列均勻安裝在2 m高的木桿上，系統(tǒng)等時(shí)間間隔讀取這些光電開關(guān)的狀態(tài)，用于顯示圖像輪廓。另有兩只光電開關(guān)水平安置，用來計(jì)算物體通過的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出物體的運(yùn)動(dòng)速度和寬度。物體高度可由光電開關(guān)安裝位置直接讀出。顯示過程中，高度和寬度可根據(jù)高寬比進(jìn)行調(diào)整，以選擇最合適的顯示比例，避免出現(xiàn)圖像過小或過大的情況。實(shí)物圖如圖3所示。

圖3　實(shí)物圖

2.2硬件單元電路

硬件系統(tǒng)由MK60D512最小系統(tǒng)板［3］、紅外光電開關(guān)傳感器模塊、無線2.4G NRF2401模塊［4］、電源電路模塊、按鍵電路模塊、OLED顯示電路模塊以及撥碼開關(guān)電路構(gòu)成。

MK60DN512最小系統(tǒng)板通過計(jì)算兩個(gè)光電開關(guān)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)得到運(yùn)動(dòng)物體的速度，并將數(shù)據(jù)通過無線2.4G NFR2401發(fā)給無線數(shù)據(jù)接收模塊。

本系統(tǒng)有20只E18-D80NK漫反射光電開關(guān)組成的單列稀疏的傳感器組，該傳感器組具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、使用方便等特點(diǎn)。當(dāng)經(jīng)過的被檢測(cè)物體將光電開關(guān)發(fā)射出的光線反射到接收器后，光電開關(guān)就會(huì)產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)，這些信號(hào)經(jīng)過處理就可得到運(yùn)動(dòng)物體輪廓的數(shù)字信號(hào)。

NRF2401是一款新型單片射頻收發(fā)器件［5］，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型Shock Burst技術(shù)，其輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能，片內(nèi)可自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，且與NRF24系列的其他射頻器件相兼容。

物體輪廓顯示部分采用OLED顯示屏，這種顯示屏具有可自發(fā)光、對(duì)比度高、體積小且分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。OLED顯示模塊提供了5種接口，本設(shè)計(jì)采用4線串行的SPI接口，由控制單元處理數(shù)據(jù)并驅(qū)動(dòng)顯示屏，顯示出物體的大致輪廓和物體的運(yùn)動(dòng)速度。

電源采用7.2 V充電電池。為了獲取電路各部分所需電壓，使用了AMS1117-5V和AMS1117-3.3V兩種穩(wěn)壓芯片。紅外光電開關(guān)的正常工作電流為100 mA，電路中共采用了22個(gè)紅外光電開關(guān)，且部分紅外光電開關(guān)需分開供電，故這部分使用了3片AMS1117-5V芯片供電，該芯片可輸出1 A電流，能夠滿足需要。AMS1117-3.3V芯片被用于給單片機(jī)最小系統(tǒng)板、OLED顯示模塊以及無線2.4G NRF2401模塊供電。

另外，系統(tǒng)的按鍵主要用來調(diào)節(jié)參數(shù)及實(shí)現(xiàn)功能的切換，而顯示模塊用來顯示物體運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.3軟件設(shè)計(jì)

2.3.1數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)采集與發(fā)送模塊主要用來采集光電開關(guān)的數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)物體的輪廓數(shù)據(jù)，并將所采集的數(shù)據(jù)通過無線2.4G NRF2401模塊發(fā)送給數(shù)據(jù)接收模塊，流程如圖4所示。

圖4　主控模塊流程圖

2.3.2數(shù)據(jù)接收模塊

接收模塊軟件流程圖如圖5所示。模塊主要接收和處理來自傳感器模塊采集的圖像等數(shù)據(jù)，并以32× 32像素顯示采集來的圖像，同時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)物體的速度和時(shí)間。

圖5　接收模塊流程圖

2.4數(shù)據(jù)處理

在處理組成物體輪廓的像素點(diǎn)的時(shí)候，采用像素點(diǎn)逐個(gè)繪制的處理方法易造成像素點(diǎn)丟失，無法繪制完整的物體輪廓。為了解決此問題，本文采用的方法是將同一列連續(xù)8個(gè)像素點(diǎn)同時(shí)寫入，這樣既不易丟失像素點(diǎn)，又不需要按位操作，提高了單片機(jī)的運(yùn)行效率。

本文采用兩種輪廓顯示方案，這兩種方案均可通過按鍵調(diào)整顯示方式。兩種輪廓一種是外部線條，即通過一系列數(shù)據(jù)模擬得到運(yùn)動(dòng)物體的外邊界線；另一種是實(shí)心顯示，即顯示物體的投影圖。

在顯示物體輪廓時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高度和寬度比例失真的情況，使物體輪廓在32×32像素的圖像中顯示偏大。這主要是由于20路光電管均勻分布在同一條直線上，因此在屏幕上顯示的高度范圍相對(duì)固定，而由計(jì)算得到的物體的寬度會(huì)隨著物體速度的變化而變化。本文根據(jù)物體實(shí)際的高、寬對(duì)圖像進(jìn)行適當(dāng)縮放，使物體輪廓可以在32×32像素的屏幕中以適當(dāng)?shù)拇笮∵M(jìn)行顯示。數(shù)據(jù)的處理主要有以下幾部分。

（1）圖像平滑［6］。對(duì)圖像的邊緣進(jìn)行處理［7］，使圖像邊緣盡可能連續(xù)，看起來更平滑。

（2）圖像輪廓提取。運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器被觸發(fā)并采集圖像數(shù)據(jù)，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)。運(yùn)動(dòng)物體消失后，單片機(jī)計(jì)算時(shí)間并將運(yùn)動(dòng)的時(shí)間按比例劃分，同時(shí)，處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，從中取出可信的數(shù)據(jù)，以此判斷物體的高和寬，得到20×20像素的圖像數(shù)據(jù)。

3　實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1實(shí)物測(cè)試

實(shí)物以固定速度1.5 m/s通過光電傳感器，實(shí)物模型及得到的顯示圖像如圖6所示。

圖6　實(shí)物模型及顯示輪廓圖像

實(shí)驗(yàn)分別選取了人體輪廓模型和環(huán)形模型進(jìn)行測(cè)試，圖6（a）和（c）是模型原型，圖6（b）和（d）是掃描系統(tǒng)顯示的輪廓圖。分別對(duì)比這4幅圖，可以看出，道具模型和OLED顯示屏顯示的輪廓模型很相似，測(cè)試結(jié)果基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

3.2速度測(cè)試

使物體勻速通過掃描裝置，實(shí)際速度與系統(tǒng)測(cè)量速度如表1所示。由表1可知，所測(cè)速度與實(shí)際速度基本相等，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)物體的測(cè)速功能。

表1　速度測(cè)試參數(shù)

4　結(jié)束語

運(yùn)動(dòng)物體輪廓檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)1到2個(gè)速度為1～4 m/s運(yùn)動(dòng)物體的圖像輪廓顯示［8］的同時(shí)進(jìn)行測(cè)速的功能。圖像采用32×32像素輸出，為便于觀察，添加了圖像放大、縮小的功能。系統(tǒng)不足之處是，當(dāng)有兩個(gè)以上不同速度物體同時(shí)通過時(shí)，就無法有效區(qū)分，且在顯示運(yùn)動(dòng)速度較快的物體時(shí)，出現(xiàn)了高寬比失真的情況。系統(tǒng)處理能力還有待進(jìn)一步提高。

［1］杜宇人.一種基于輪廓特征的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)識(shí)別方法［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009（5）：514-517.

［2］程融，劉進(jìn).基于光電管的智能車路徑識(shí)別研究［J］.兵工自動(dòng)化，2009（12）：9-12.

［3］陳學(xué)青，陳永德.單片機(jī)開發(fā)最小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)板［J］.科技資訊，2008（31）：26-26.

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［5］曹立華.圖像處理及存儲(chǔ)顯示一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.新媒體研究，2015（14）：19-20.

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［7］蔣愛花，邢濟(jì)收.圖像邊緣處理技術(shù)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2005（5）：298-300.

［8］于成忠，朱駿，袁曉輝.基于背景差法的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（S2）：159-161.

【責(zé)任編輯梅欣麗】

Design and Implementation of the Scanning System for Moving Object Contour

JIN Jian，SHAN Jingjie，HUANG Xiaoping
（School of Electronics and Communication Engineering，Anhui Xinhua University，Hefei 230088，China）

This paper designed a multi-module circuit and MK60DN512 minimum system，and added the algorithm processing for the filtering and the edge of the contour image.The system was composed of a photoelectric tube for collecting data，and then the main control module composed of MK60DN512 single chip was used to process data，and the data was transmitted to the receiving module through the wireless transmitting module and was displayed on the LCD screen in real time.Test showed that the contour map was not only able to capture the 2D contour of the moving objects in real time，but also record and display the time and speed of the moving object.

MK6ODN512；photoelectric tube；wireless module；contour；edge algorithm

TP212.9

A

2095-7726（2016）03-0057-04

2015-11-12

安徽省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（KJ2014A097）；國家大學(xué)生創(chuàng)新計(jì)劃（201412216011，201412216012）

金建（1985-），男，安徽合肥人，講師，碩士，研究方向：智能控制、圖像處理和嵌入式系統(tǒng)。