基于單片機(jī)的水下機(jī)器人圖像識(shí)別研究

周思宇 劉青松 朱媛媛 鄭貝貝 檀棋

【摘? 要】隨著人們對(duì)深海的不斷探索，水下機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款水下機(jī)器人，以stm32單片機(jī)為控制核心，機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取水下圖像，并且能通過視頻圖像反饋來調(diào)整控制作業(yè)機(jī)器人的姿態(tài)，通過控制機(jī)械臂完成水下作業(yè)。文中重點(diǎn)討論了圖像采集系統(tǒng)中的視頻圖像預(yù)處理方法，獲得了較好的整體圖像效果。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);水下機(jī)器人;圖像增強(qiáng);圖像濾波

1.引言

隨著科學(xué)技術(shù)和社會(huì)的發(fā)展，陸地上的資源已經(jīng)漸漸滿足不了人類的需求，人們就著手于開發(fā)海洋資源。但是水下環(huán)境惡劣，人類的客觀條件等因素也限制了潛水深度，所以水下機(jī)器人已經(jīng)成為開發(fā)海洋的重要工具。水下機(jī)器人的出現(xiàn)大大節(jié)省了成本，它可以代替人完成深海攝像和采集標(biāo)本等工作，探測(cè)器上不用加裝生命維持系統(tǒng)，大大節(jié)省了海洋探測(cè)的成本。本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款水下機(jī)器人，以stm32單片機(jī)為控制核心，電源采用搭載蓄電池，通過電源電路分別給單片機(jī)，樹莓派和直流無刷電機(jī)供電，機(jī)器人系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取水下圖像，并進(jìn)行圖像預(yù)處理，獲得了較好的整體圖像效果，以便能通過圖像的反饋來調(diào)整控制作業(yè)機(jī)器人的姿態(tài)，通過控制機(jī)械臂完成水下作業(yè)。

2.水下機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人如圖所示，由stm32單片機(jī)，圖像采集系統(tǒng)，無線遙控模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊及報(bào)警模塊組成。同時(shí)機(jī)器人還裝備一個(gè)多自由度的機(jī)械手臂以完成標(biāo)本的采集、放置等一系列動(dòng)作，機(jī)器人安裝有攝像頭以進(jìn)行水下視覺采集、同時(shí)還具有水下機(jī)器人定高巡航、數(shù)字圖像處理等功能。

無線收發(fā)器采用封裝式無線電收發(fā)裝置，PT2262/2272是一對(duì)帶地址、具有數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控收發(fā)芯片，功耗低，CMOS制造工藝，外部元件少，RC振蕩電阻，工作電壓范圍為：2.6-15V，數(shù)據(jù)為6位，地址代碼高達(dá)531441。該套無線收發(fā)芯片操作簡(jiǎn)單，價(jià)格合適，工作穩(wěn)定性強(qiáng)。

該芯片以STM32為主控芯片，具有足夠的存儲(chǔ)空間，可以滿足系統(tǒng)軟件的需求。具有兩個(gè)中斷計(jì)數(shù)器，滿足本工作系統(tǒng)的需要，精確計(jì)算時(shí)間，具有良好的實(shí)效性。

3.圖像采集及預(yù)處理

圖像采集系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集水下圖像信號(hào)，為取得較好的、完整的圖像，必須對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理。下面主要討論圖像識(shí)別的預(yù)處理。

3.1水下圖像特點(diǎn)

由于水的光學(xué)特性的作用，水下圖像有如下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

（1）水對(duì)光具有吸收作用，會(huì)造成水下彩色的丟失，給攝象圖像的識(shí)別帶來很大的困難。（2）水中對(duì)光源阻光、折射、散射效應(yīng)，以光源為中心，徑向逐漸減弱，造成圖像背景灰度灰度不均勻。（3）水體本身的性質(zhì)和水中的懸浮體、活性有機(jī)體的存在，會(huì)造成水下圖像的對(duì)比度低、噪聲明顯等。

3.2空間域圖像處理

目前，圖像噪聲的濾波方法有低通、帶通、均值、平滑以及銳化、中值濾波方法等等，濾波的目的是為包括圖像邊緣提取，圖像分割等后續(xù)圖像的進(jìn)一步處理打好基礎(chǔ)，也可應(yīng)用于圖像的重建和復(fù)原。直方圖均衡化（HE， Histogram Equalization）能夠使圖像中的所有灰度級(jí)概率均勾分布，使圖像得到增強(qiáng)，但如果同一個(gè)變換對(duì)整幅圖像都采用，這樣就不能適應(yīng)不同區(qū)域的對(duì)比度變化情況，為了克服這一缺點(diǎn)，我們可以采用自適應(yīng)方法進(jìn)行局部直方圖均衡化，不同的圖像區(qū)域采用不同的其灰度變換函數(shù)，也可以采用動(dòng)態(tài)變化窗口大小的均衡化方法，都具有比較好的處理結(jié)果。

3.3頻率域圖像處理

選擇合適的濾波器函數(shù)對(duì)圖像的傅里葉變換函數(shù)頻譜成分進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整后再進(jìn)行傅里葉逆變換，這樣使得圖像得到增強(qiáng)。為了獲得感興趣的區(qū)域同時(shí)去掉或削弱噪聲和無關(guān)信號(hào)，在頻域增強(qiáng)技術(shù)中可以有針對(duì)性的選擇頻率傳遞函數(shù)。對(duì)于需要增強(qiáng)的頻率分量，可增加對(duì)應(yīng)的頻率傳遞函數(shù)的系數(shù);若降低對(duì)應(yīng)傳遞函數(shù)的系數(shù)，可抑制或衰減的頻率分量。

低通濾波可以使圖像有效的平滑降噪，高通濾波器是抑制和衰減低頻分量的，因此，利用高通濾波可保留圖像邊緣和急劇變化的細(xì)節(jié)信息。

由于水下光照條件的限制，圖像會(huì)出現(xiàn)照度不均勻的情況，可應(yīng)用同態(tài)濾波解決光照問題和突出細(xì)節(jié)信息，調(diào)節(jié)圖像的灰度范圍。同態(tài)濾波是將圖像分解為反射、照度兩部分，應(yīng)用對(duì)數(shù)運(yùn)算將乘性噪聲的照度成分轉(zhuǎn)化為加性噪聲，再通過選擇合適的濾波器函數(shù)對(duì)圖像的傅里葉變換函數(shù)頻譜成分進(jìn)行調(diào)整獲得處理改善圖像的效果，保持了圖像的整體性。

4.結(jié)論

本文首先討論水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路、給出了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，討論了水的光學(xué)作用特點(diǎn)，及水對(duì)光的阻光、散射等因素的影響，重點(diǎn)討論了從空間域和頻率域兩方面，圖像預(yù)處理的方法?？臻g域是基于像素的處理方法，包括直方圖修正、灰度變換和空間域?yàn)V波等;頻率域是基于圖像的增強(qiáng)方法，包括同態(tài)濾波等，試驗(yàn)表明，在光照不均的水下圖像中能夠獲得較好的圖像效果。在水下機(jī)器人的圖像識(shí)別能力的設(shè)計(jì)，旨在讓機(jī)器人能更好的在水下進(jìn)行交互工作，同時(shí)水下機(jī)器人有著人力無法企及的地方，極大的提高了我們對(duì)海洋的探索。

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基金項(xiàng)目：

本文得到嘉興學(xué)院南湖學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目（NH8517930）資助。

作者簡(jiǎn)介：

周思宇，嘉興學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)學(xué)生，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>

（作者單位：嘉興學(xué)院南湖學(xué)院）