隨著計算機科學(xué)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(dāng)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(lǐng)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(xì)微的差別。本文研究基于服務(wù)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(biāo)物體的平動跟蹤。

視覺系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，它既要做到圖像的準(zhǔn)確采集還要做到對外界變化反應(yīng)的實時性，同時還需要對外界運動的目標(biāo)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(yīng)類型。一般情況下，它是通過彩色標(biāo)志定標(biāo)的方法來達(dá)到對隊員和目標(biāo)的識別，以及通過擴展卡爾曼濾波器的預(yù)測功能來實現(xiàn)對目標(biāo)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(shè)計上采用CMOS圖像傳感器代替CCD類型傳感器進(jìn)行采集圖像，DSP處理芯片TMS320VC5509A進(jìn)行圖像處理以及作為CPU控制，在設(shè)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(dá)到對目標(biāo)的快速識別，通過全局的特征矩構(gòu)建的雅可比矩陣達(dá)到對目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤。

1硬件部分設(shè)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（ChargedCoupledDevice，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(dāng)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(dá)到30fps。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(shè)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(shè)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(fù)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(fù)擔(dān)，同時也為了實時看到對外界目標(biāo)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(jìn)行顯示。PT035TN01是3.5英寸TFT格式的液晶，分辨力為320×3×240，液晶IF1、IF2兩輸入控制腳對輸入的數(shù)據(jù)格式進(jìn)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(jìn)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(fù)脈沖復(fù)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(dāng)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(jìn)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(jìn)行隔行有效從而達(dá)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(jìn)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(shè)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?；陟o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(shè)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(dá)50MHz。

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(dá)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(dāng)DSP上電復(fù)位后，通過采樣GPIO0～GPIO3的狀態(tài)，根據(jù)采樣的狀態(tài)來進(jìn)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(jìn)行程序裝載，接著通過DSP的I2C口對圖像傳感器進(jìn)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(jìn)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)。