基于CPLD的服務機器人視覺系統(tǒng)軟硬件設計

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

　　視覺系統(tǒng)是一個非常復雜的系統(tǒng)，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時性，同時還需要對外界運動的目標實時跟蹤。因此，視覺系統(tǒng)對硬件和軟件系統(tǒng)都提出了較高的要求。目前比較流行的足球機器人技術(shù)，它的視覺系統(tǒng)屬于比較典型的快速識別和反應類型。一般情況下，它是通過彩色標志定標的方法來達到對隊員和目標的識別，以及通過擴展卡爾曼濾波器的預測功能來實現(xiàn)對目標的跟蹤功能。在硬件上，采用一個現(xiàn)成的攝像機來實現(xiàn)一個機器人的圖像采集系統(tǒng)。

　　本系統(tǒng)在設計上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類型傳感器進行采集圖像，DSP處理芯片 TMS320VC5509A進行圖像處理以及作為CPU控制，在設計過程中，為了直觀顯現(xiàn)機器人視覺系統(tǒng)識別和跟蹤的效果，專門采用了一個TFT格式的液晶來直觀顯示。軟件上，采用了一部分足球機器人的視覺技術(shù)來達到對目標的快速識別，通過全局的特征矩構(gòu)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(tǒng)硬件電路的功能模塊框圖。

　　1.1 圖像采集

　　視覺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像素提供了放大器，只需一個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(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換部分，直接輸出數(shù)字信號?；谶@些因素，本系統(tǒng)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(shù)據(jù)：YCbCr4:2：2模式、 RGB4:2：2模式和RGB原始數(shù)據(jù)模式。輸出VGA格式最大可達到30fps（fps：每秒幀數(shù)）。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，同步信號和時鐘不由外圍設備控制。在從模式下，OV7635的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及系統(tǒng)的晶振頻率XCLK均由外部設備控制。本系統(tǒng)采用的是主模式。OV7635通過I2C總線配置片內(nèi)寄存器，使其輸出原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)上電復位后，由DSP芯片的 I2C總線信號對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，場同步信號VSYNC，像素時鐘信號PCLK，數(shù)字圖像信號。

　　1.2 液晶顯示

　　為了很直觀的看到視覺系統(tǒng)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，同時也為了實時看到對外界目標物體的跟蹤效果，液晶顯示的數(shù)據(jù)不經(jīng)由DSP，直接通過傳感器OV7635輸出的圖像數(shù)據(jù)信號和 CPLD控制時序來進行顯示。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(shù)據(jù)格式進行選擇：串行RGB格式、CCIR601格式、CCIR656格式。液晶的掃描模式有4種。本視覺系統(tǒng)采用的輸入數(shù)據(jù)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鐘PCLK通過CPLD二分頻作為液晶的工作時鐘，圖像傳感器輸出的行同步信號HREF經(jīng)過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(shù)據(jù)信號送入液晶中進行顯示。

　　1.3 時序控制

　　OV7635輸出的場同步信號VSYNC，行同步信號HREF以及像素時鐘信號PCLK接至CPLD芯片，產(chǎn)生控制信號把OV7635輸出的數(shù)據(jù)信號存入FIFO幀存儲器AL422B中，以及產(chǎn)生液晶的時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的寫控制、通知DSP讀信號、液晶的時鐘信號的產(chǎn)生等功能。

　　CPLD接收場同步信號VSYNC，此信號的下降沿表示圖像傳感器輸出一幀的開始，此時CPLD產(chǎn)生WRST負脈沖復位FIFO的寫指針。場同步信號VSYNC下降沿后，判斷行同步信號HREF的上升沿到來，接著利用像素時鐘信號PCLK作為寫時鐘 WCK將圖像數(shù)據(jù)直接存儲到FIFO中，當存到一定的數(shù)后，就及時發(fā)信號給DSP，以便DSP讀取數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用的是一個中斷INT0來通知DSP.此時DSP可以讀數(shù)據(jù)也可以不讀，視處理的速度來定。讀數(shù)據(jù)時，可利用RD和片選，產(chǎn)生RCK信號。DSP讀取的速度不能太快，以讀取速度小于寫速度為原則。

　　在對液晶的邏輯時序控制上，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鐘信號PCLK進行二分頻產(chǎn)生液晶的時鐘信號控制液晶的顯示，同時對行同步信號進行隔行有效從而達到液晶對圖像的顯示。CPLD中的程序編寫用的采用了硬件描述語言VHDL，在QUARTUSⅡ軟件平臺上進行編寫的。由于在選用芯片時采用的是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，必須通過處理才能接入系統(tǒng)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的RAM和不需要外部提供地址線的FIFO，為了簡化CPLD的設計。采用了FIFO的幀存儲器。FIFO又可以分為基于動態(tài)存儲的DRAM和基于靜態(tài)的SRAM.基于靜態(tài)SRAM的優(yōu)點是不需要刷新電路，但容量小，需要多片才能存儲一幀數(shù)據(jù)；基于DRAM的優(yōu)點是容量大，只需一片就能存儲一幀數(shù)據(jù)，缺點是必須有刷新電路。本設計中采用的是Averlogic公司的大容量FIFO動態(tài)存儲芯片AL422B.其刷新電路比較簡單，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(tǒng)一幀的信息通常包含640×480個彩色像素，每個像素占用2個字節(jié)，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，在兼顧處理速度，存儲容量，現(xiàn)有條件下的加工工藝水平，以及性價比方面，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收到來自CPLD的讀通知信號后開始讀取AL422B中的視頻數(shù)據(jù)。為了方便處理數(shù)據(jù)，在DSP外圍擴展了一個的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，通過采樣GPIO0~GPIO3的狀態(tài)，根據(jù)采樣的狀態(tài)來進行什么樣方式的程序裝載。本系統(tǒng)的采用外接的flash存儲芯片的SPI口對DSP進行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對圖像傳感器進行寄存器初始化。圖像傳感器開始輸出信號。整個系統(tǒng)開始進入工作。

　　DSP作為高速的處理器，主要用于圖像的處理。由于本視覺系統(tǒng)要完成識別和跟蹤功能，數(shù)據(jù)的處理量是很大的。在完成圖像處理的同時，DSP也作為控制器使用完成對控制器的控制，從而構(gòu)成視覺跟蹤系統(tǒng)。

　　2 軟件部分設計

　　由于本系統(tǒng)采用的是顏色和形狀相結(jié)合的辦法對無遮擋目標物體的識別。為了達到機器人實時快速的目的，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，目前比較常見是基于閾值向量的顏色判斷法。下面簡述顏色識別原理。

　　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，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個分量之和。RGB顏色空間是不均勻的顏色空間，兩個顏色之間的知覺差異與空間中兩點間的歐氏距離不成線性比例，而且R、G、B值之間的相關性很高，對同一顏色屬性，在不同條件（光源種類、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。因此通常會選擇能從中分離出亮度分量的顏色空間，其中最常見的是YUV和HSV顏色空間。

　　HSV：接近人眼感知色彩的方式，H為色調(diào)（Hue），S為色飽和度（Saturation），V 為亮度（Value）。色調(diào)H能準確地反映顏色種類，對外界光照條件變化敏感度低，但是H和S均為R、G、B的非線性變換，存在奇異點，在奇異點附近即使 R、G、B的值有很小變化也引起變換值有很大的跳動。

　　YUV:RGB顏色空間線性變化為的亮度-色彩空間。是為了解決彩色電視機與黑白電視機的兼容問題而提出的。Y表示亮度（Luminance），UV用來表示色差（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(tǒng)在采用的是YUV色彩空間。

　　YUV格式與RGB存在如下關系：