（信号与信息处理专业论文）足球机器人视觉信息处理技术研究.pdf

赞要 足球机器人是当前机器人领域的一个研究热点。它融合了信息、自动化、通讯、机电一 体化和人工智能等关键技术，同时为相关领域内的理论研究提供了一个良好的实验和测试平 台。 视觉系统是机器人系统中非常重要的组成部分。机器人视觉系统主要包括数字图像的获 取、i 虱像的预处理、图像分割、目标识别几个部分。在数字图像获取部分机器人周围的场 景通过光学成像和数字化被转换成数字图像：在预处理阶段，系统通过几何变换、颜色采样 等工作对数字图像进行初步的调整，使之成为易于识别和处理的图像，并且建立颜色信息库， 为后续步骤打f 基础；在图像分割部分，系统对图像进行抽象化，对不同的颜色区域做出分 割：在目标识别部分。系统对图像特征进行处理，进而在图像中找出需要识别的目标，计算 其参数并输出。 本文针对机器人足球系统的应用实际，对现有的用于机器人足球视觉系统的彩色图像分 割和识别方法进行了深入的剖析。并在此基础上对其中的一些关键环节进行了大胆的创新， 提出了些新颖的具有独创性的思路和方法。论文的具体研究工作如下： 1 对彩色图像的分割算法做出有意义的研究，并在此基础上在h s i 色彩空阆中引入了 利用阙值向量来分割彩色图像的方法，成功地解决了多色彩阈值判别时计算量较大 的难题，将这一技术应用于足球机器人视觉处理中，大大提高了系统的实时性能。 2 介绍了一些常见的颜色相似度度量方法。并提出了一种适合h s i 色彩空间的颜色相 似度度量，引入了两个像素的联合抗噪因子p 来衡量h 的可信度，受光照的影响小， 且具有较好的抗噪能力。 3 对微型足球机器人视觉系统采用变焦距广角镜头所导致的图像的几何畸变进行了 详细地分析，f = 综合比较了几种典型的几何畸变校正方法，在此基础上提出了满足 微型足球机器人比赛要求的几何畸变校正算法。有效的解决了足球机器人视觉图像 的几何畸变问题，并且所需的控制点少，有利于缩短赛前的准备对间。 4 改进了足球机器人色标形状的设计，减少了计算量并且提高了计算的精度，同时解 决了在新的色标设计方案下机器人位置、姿态参数的计算新方案完全满足足球机 器人比赛的高实时性要求。 5 提出了基于动态窗口跟踪的目标搜索方法，将从一幅大量数据量的图像中搜索目标 体的问题转换为一个只有几百个象素的窗口图像分割过程。最大限度的降低了数据 处理量。 6 详细介绍了我们自行开发的微型足球机器人视觉系统的软件结构，论述了软件系统 中各功能模块的具体作用，同时详细地阐述了实现视觉系统人机交互功能所必须的 群序界面的设计。为进一步开发提供了一定的思路和方向。 关键词：足球机器人，视觉系统，颜色空间，图像分割，阙值向量，种子点区域生长。目标 跟踪，动态窗口 a b s t r a c t s o c c e rr o b o th a sb e c o m eo n eo ft h e h o tf o c u s e si nt h i sf i e l d i tc o m b i n e st h e t e c h n i q u ef r o mi n f o r m a t i o n ，a u t o m a t i o n ，c o m m u n i c a t i o na n da ia n dp r o v i d e sap l a t f o r mt o t e s ta i 【t h e s es k i l l s v i s i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti nar o b o ts y s t e m f u n c t i o n a l l y , ar o b o tv i s i o n s y s t e mc o n t a i n st h ef o l l o w i n gp r o c e s s e s ：t h eo b t a i n i n go fd i g i t a li m a g e 。t h ei m a g e p r e - p r o c e s s i n g i m a g es e g m e n t a t i o na n di m a g ei d e n t i f i c a t i o n t oo b t a i nd i g i t a li m a g e t h e e n v i r o n m e n ta r o u n dr o b o ti sc a p t u r e db yo p t i c a ll e n sa n dt h e nd i g i t i z e di n t oad i g i t a l i m a g e ；t h e nt h ed i g i t a li m a g ew i l lb ea d j u s t e db yu s i n gg e o m e t r i c a lt r a n s f o r m w h i c hw i l l b ee a s i e rt ob ei d e n t i f i e d w ea l s os e tu pac o l o ri n f o r m e l i o ns t o r e r o o m ，w h i c hi st h e f o u n d a t i o no ft h en e x tp h a s e ；t h e ns o m ej m p o r t a n tc h a r a c t e r sw i l lb ea b s t r a c t e d ，a n d r e g i o n sw i t hd i f f e r e n tc o l o r sw i l lb es e g m e n t e d ；f i n a l l yt h ev i s i o ns y s t e mf i n do u tt h et a r g e t b a s e do nt h ep r o c e s s e di m a g ea n dt h ep a r a m e t e r sw i l lb ew o r k e do u t a i m i n ga tt h ep r a c t i c eo fr o b o ts o c c e ra n db a s e do ne x i s t i n gt e c h n o l o g yi ni m a g e s e g m e n t a t i o na n di d e n t i f i c a t i o n t h i sp a p e rd e v e l o p st h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dp u t s f o r w a r ds o m ea d v e n t u r o u si n n o v a t i o n o f f e r i n gs o m eo n g i n a la n dc r e a t i v ei d e a l s a p p r o a c h e s t h em a i nw o r ki n c l u d e ss o m ea s p e c t sa sf o i l o w s ： 1 m a k eap r o f o u n dr e s e a r c ha b o u ts e g m e n t a t i o no fc o l o ri m a g e a n di m p o r tt h e t h r e s h o l dv e c t o rj nh s ic o l o rs p a c eo nt h i sb a s e w h i c ha v o i d st h ee x p e n s i v e c o m p u t i n gw h e n w ed i f f e r e n t i a t et h et h r e s h o l d so fm a n yc o l o r s r e a l t i m e c a p a b i l i t yi si m p r o v e dg r e a t l yu s i n gt h i st e c h n o l o g y 2i n t r o d u c es o m ef a m i l i a rm e t h o d so fm e a s u r i n gt h ed e g r e eo fc o m p a r a b i l i t yo f d i f f e r e n tc o l o r s p u tf o r w a r dam e t h o d sf i tf o rh s ic o l o rs p a c ea g a i n s tt h ee f f e c to f i l l u m i n a t i o na n dn o i s e i n 。w h i c hah o m o g e n e i t yc r i t e d o nf i tf o rh s ic o l o rs p a c ei s d e f i n e dm e a s u r i n gt h er e l i a b i l i t yo fhf e a t u r ew i t ht h ej o i n ta n t i - n o i s ef a c t o ro ft w o p i x e l s 3 a n a l y z et h eg e o m e t r i cd i s t o r t i o nd e e p l y , a n dc o m p a r es e v e r a lt y p i c a lm e t h o d so f g e o m e t r i cd i s t o r t i o nr e v i s i o n ，o nt h i sb a s ew ep u tf o r w a r do u ra l g o r i t h mf i tf o r s o c c e rr o b o tv i s i o ns y s t e m 。t h i sa l g o n t h mp r o v i d e se n o u g hp r e c i s i o na n dn e e d s l e s sc o n t r o lp o i n t st h a na c c u s t o m e da l g o d t h m ，s oi tc a nb eh e l p f u lt os h o r t e nt h e p r e p a r i n gt i m eb e f o r em a t c h ， 4 i m p r o v et h ed e s i g no ft h ec o l o rs y m b o l so ns o c c e rr o b o t s i n c r e a s i n gt h e p r e c i s i o na n dr e d u c i n gt h ec a l c u l a t i o n 。a tt h es a m et i m e w ew o r ko u t t h e p a r a m e t e r so fs o c c e rr o b o t su s i n gt h en e wd e s i g n ，e x p e d m e n t ss h o wt h a tt h e n e wc o l o rs y m b o ld e s i g nd oag o o dj o bi nt h er e a l - t i m ev i s i o ns y s t e m 5 p r e s e n tt h em e t h o do fo b j e c tt r a c k i n gb a s e do nd y n a m i cw i n d o w s ，t r a n s f o r m i n g s e a r c h i n go b j e c t si nt h ew h o l ei m a g ew i t hh u g ed a t aq u a n t i t , t od o i n gt h es a m e w o r ki nw i n d o wi m a g ew i t hs e v e r a lh u n d r e d sp i x e l s 。w h i c hr e d u c e st h eb u r d e no f d a t a p r o c e s s i n gg r e a s ya n di m p r o v e st h er e a l t i m ec a p a b i l i t yo ft h ew h o l e s y s t e m 6 i n t r o d u c et h es o f t w a r es t r u c t u r eo fv i s i o ns y s t e mf o rf 1 8 0s m a l ls o c c e rr o b o ti n d e t a i l a n da n a l y z et h es p e c i f i cw o r ko fm a i nf u n c t i o n a lm o d u l e s ，a tt h es a m et i m e w ee x p l a i nt h ed e s i g no fs o f t w a r ei n t e r f a c e w h i c hi si n t e g r a n tt or e a l i z et h e i n t e r e c t i o nb e t w e e nh u m a na n dc o m p u t e r , w eb e l i e v et h i sw o r kp r o v i d e si d e a s a n dd i r e c t i o nf o rf u h e rd e v e l o p m e n to ft h es o f t w a r es y s t e mi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：s o c c e rr o b o t ，v i s i o ns y s t e m ，c o l o rs p a c e ，i m a g es e g m e n t a t i o n t h r e s h o l d v e c t o r s e e d e dr e g i o ng r o w t h o b j e c tt r e c k j n g ，d y n a m i cw i n d o w 中国科学技术人学颤士毕业论文足球机器人视觉信息处理技术研究 第一章绪论 1 1 机器人简介 机器人技术是集运动学与动力学、机械设计与制造技术、计算机硬件与软件技术、传感 器技术、人工智能理论等诸多科学及技术于一身的- - i 综合技术，是“机电一体化”技术的 典型代表。机器人技术的研究与发展可反映出一个国家的经济和科技综合实力，机器人在各 个领域的应用与普及，则可体现出这个国家工业技术的发展水平 1 自六十年代初以来，机器人技术历经四十年的发展己取得了长足的进步：工业机器人在 经历了诞生成长成熟期后，已经成为制造业中不可少的核心装备，全世界大约有 7 5 万台1 ：业机器人正与人类并肩战斗在各条战线上；特种机器人作为机器人家族的后起之 秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下 机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正 以飞快的速度向实用化迈进。总的来说，机器人的发展大致经过了三个阶段： 第一个阶段，机器入主要是以“示教再现”的方式工作。它们以1 9 6 2 年美国a m f 公 司推出的“v e r s a t r a n ”和u n i m a t i o n 公司推出的“u n i m a t e ”为鼻祖，目前在工业发达国家 己经普及化。由1 = 只能从事重复性劳动，其应用范围受到了一定的限制。 第二个阶段，机器人有了外部传感装置因而具有一定的环境适应能力。它们因装备有若 干传感器，可以对操作对象的实际位置、姿态、运动速度等进行测量，能通过“视觉”、“触 觉”等感知到外界环境发生的变化，从而可在一定范围内做出适当的反应。 第三个阶段，即智能机器人阶段，所谓智能机器人，是指能够感知外界环境和对象物， 可对复杂信息进行准确处理能自主进行决策的机器人。与前两代机器人的最大区别在于 后者只需交代做什么而不需具体告诉如何做就可以自己完成任务 2 前不久美国火星探溯器“勇气”号和“机遇”号这对孪生兄弟在先后经历了半年多、 数亿公里的星际旅行后终于成功地着陆在目的地。众所周知，真正踏上火星表面。作为首位 地球使者漫步火星的巡游车。实际上是两个机器人。不过它们两个非同一般。一方面它们有 独特的结构设计： 个独立悬挂的车轮，能在崎岖的火星表面坚实地前进：太阳能电池翻板 的双翼和竖立的3 6 0 度垒景摄像机了望台，犹如一只展翅欲飞的鹤；而与人体上肢结构类似 的机械臂一日到达目标附近就轻轻地去采集火星表层标本。另一方面它们堪称“目前世 界上最聪明的机器人”和一座功能完美的移动实验室，总共携带了7 类科学探测仪器，把星 中国科学技术大学硕士毕业论文 2 足球机警人视觉信息处理技术研究 际探测的自动化程度提高到了前所未有的水平。 我国t 业机器人起步于7 0 年代初期经过2 0 多年的发展，也大致经历了三个时期；7 0 年代的萌芽期，8 0 年代的开发期和9 0 年代以后的适用化期。 7 0 年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球。实现了金星、火星的软着陆。 我国也发射了人造卫星。世界上r 业机器人应用掀起了一个高潮尤其在日本发展更为迅猛， 它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1 9 7 2 年开始研制自己的工业机器人。 进入8 0 年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入我国机器人技术 的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其 零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧 焊和搬运机器人。1 9 8 6 年国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 开始实施，智能机器人主体 跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批 特种机器人。 从9 0 年代初期起，我国的国民经济进入实现两个根本转变时期掀起了新一轮的经济 体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、 弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人 麻崩l ：科，形成了一批机器人产业化基地为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。同时，我 国的科研机器人也有了长足的发展，1 9 9 5 年8 月，c r 一叭6 0 0 0 米无缆自治水下机器人研制 成功，是我国机器人的总体技术水平跻身于世界先进行列成为世界上拥有潜深6 0 0 0 米自 治水下机器人的少数国家之一。 随着计算机技术和人 j 智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的 提高移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推 动了机器人概念的延伸。8 0 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机 器人，这是一个概括的，含义广泛的概念，这一概念不但知道了机器人技术的研究和应用， 而且义赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，水下机器人、空间机器人、空中机器人、 地面机器人、微小型机器人等各种用途的机器人相继问世许多梦想成为了现实。将机器人 的技术( 如传感技术、智能技术、控制技术等) 扩散和渗透到各个领域形成了各式各样的新 机器机器人化机器。当前与信息技术的交互和融合又产生了“软件机器人”、“网络机器 人”的名称，这也说明了机器人所具有的创新能力。 随着机器人技术的发展机器人的定义也不断在变化更新。我国科学家对机器人的定义 是：“机器人是一种自动化的机器。所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能 中国科学技术人学硕士毕业论文足球机器人视觉信息处理技术研究 力。如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力是一种具有高度灵活性的自动化机器”。 在研究和开发未知及不确定环境下作业的机器人的过程中，人们逐步认识到机器人技术的本 质是感知，决策，行动和交互技术的结合。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深， 机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点。人们发 展了格式式样的具有感知、决策、行动和交互能力的特种机器人和各种智能机器。对不同任 务和特殊环境的适应性，也是机器人与一般自动化装备的重要区别。这些机器人从外观上已 远远脱离了最初仿人形机器人和工业机器人所具有的形状，更加符合各种不同应用领域的特 殊要求，其功能和智能程度也大大增强从而为机器人技术开辟出更加广阔的发展空间。 i 2 足球机器人 1 2 1 足球机器人比赛的历史和组织 1 9 9 2 年，加拿大大不列颠哥伦比亚教授a l a nm a c k w o r t h 在一次国际人工智能会议上首次提出 让机器人踢足球，其目的是通过机器人足球比赛为人工智能和智能机器人学科的发展提供 一个具有标志性和挑战性的课题 3 。此想法一提出，就得到了各国科学家的普遍赞同和积 极响应。世界各国高度重视纷纷派队参加比赛，比赛的种类也不断扩大，从晟初的软件仿 真比赛到2 0 0 0 年出现了般足机器人踢球表演。机器人足球发展的宏伟目标是力争到2 0 5 0 年， 一个全部由人形足球机器人组成的球飘按照国际足联( f i f a ) 的规则与当时的世界冠军队 进行比赛，并且战胜这支人类的冠军队c 4 。 目前，国际上足球机器人比赛有两人系列，一是由国际机器人足球联合会( f i r a - f e d e r a t i o no fi n t e r n a t i o n a lr o b o t s o c c e ra s s o c i a t i o n ) 组织的机器人世界杯足球赛 ( r w c r o b o ts o c c e rw o r l dc u p ) ，。= 是由国际人工智能学会组织的机器人世界杯足球赛 ( r o b o c u p t h er o b o tc u p ) 。 f i r a 机器人足球赛最早由韩国高等技术研究院( k o r e aa d v a n c e di n s t i t u t eo fs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y 。k a i s t ) 于1 9 9 6 年在韩国大田( d a e j e o n ) 发起并酋办。国际机器人足球联合 会则在i 9 9 7 年6 月举行的第二届微型机器人足球比赛( m i r o s o t 9 7 ) 期间宣告成立。f i r a 每年 组织一次机器人足球世界杯赛( f i r ar w c ) ，同时举办学术研讨会以促进互相学习与竞争。 目前参赛国家与代表队不断增加比赛项目也不断得到丰富 5 。 r o b o c u p 的原意为r o b o tw o r l dc u p 。是由日本人工智能研究会发起的1 9 9 7 年正式成 立，总部设在日本东京，在瑞士伯尔尼正式注册。首届比赛于1 9 9 7 年8 月2 5 2 8 日在日本 名古屋举行。共有来自日本、美、英、法和加拿大等国家的3 7 支代表队参加。第二届机器 人世界杯足球赛于1 9 9 8 年7 月2 9 日与法国足球世界杯同时举行。这项赛事每年举行一次， 中国科学技术大学硕士毕业论文4 足球机器人视觉信息处理技术研究 从一开始就得到了世界范嗣内广。泛的关注，因而得到了迅速的发展和壮大。下一届r o b o c u p 将于2 0 0 5 年7 月1 3 1 9 号在日本的大阪举行 6 】。 1 2 2 足球机器人比赛的发展现状 目前f i r a 的世界杯赛组织有多个比赛项目，分别是；仿真组( s i m u r o s o t ) ，仿人形机 器人组( h u r o s o t ) 和微型机器人组( m i r o s o t ) 。 仿真组( s i m u r o s o t ) 比赛是基于软件的。这种比赛不需要机器人硬件设备的投入，因 此投资较省。程序分成服务器( s e r v e r ) 端和客户( c l i e n t ) 端参赛队将自己的策略程序 写成客户端程序与服务器端程序相连后即可开始比赛目前仿真组比赛有5 对5 和1 1 对 1 1 两种。 仿人彤机器人组( h u r o s o t ) 是近两年发展起来的。其对机器人的要求是：参赛机器人 必须是双足机器人，最大高度i s o c m 最大重量3 0 k g 。这种机器人对机械结构、传感器和控 制的要求北常高，目前仅有少数学校和公司研制出实物。 微型机器人组( m i r o s o t ) 足球比赛采用集中控制方式，目前3 对3 和5 对5 两种。5 对5 的赛场k2 2 米，宽i 8 米比乒乓球台略大，场地画有中线、中圈和门区。每队由5 个边长不超过7 5 厘米的立方形的遥控小车( 机器人) 组成，它们的任务就是将橘红色的高 尔夫球( 足球) 撞入对方的球门而力保本方不失球或少失球。比赛规则与一般足球相似，也 有点球、任意球和门球等。只是因电池容量有限，每半场为5 分钟，中间休息1 0 分钟。比 赛结束时，进球多的一方获胜若结束时为平局则有3 分钟的延长期，也实行突然死亡法 雨1 点球大战。机器人足球与真正的人类足球明显不同之处在于球场四周有围墙所以没有界 外球，而在相持1 0 秒后判争球。 r o b o c u p 的比赛项目主要有：s i m u l a t i o nl e a g u e ( 电脑仿真比赛) 、s m a l 卜s i z el e a g u e ( f - 1 8 0 ) ( 小型足球机器人比赛) 、m i d d l e s i z el e a g u e ( f 2 0 0 0 ) ( 中型自主足球机器人比 赛) 、s o n yl e g g e dr o b o tl e a g u e ( s o n y 有腿足球机器人比赛) 和h u m a n o i d sl e a g u e ( 类人 组) 几种。 r o b o c u p 仿真组比赛是各种比赛中参赛队数目最多的一种，由于仿真环境与人类足球比 赛的环境相似，比赛队员的仿真模型与实际队员也很接近，实现了机器人比赛中由于机器人 硬件的不足而放弃的某些规则，故其对于分布式人工智能理论的研究具有重要意义同时由 丁其研究与比赛不需要大量的资金投入，因此它受到许多研究机构和学校的欢迎。仿真比赛 是在一个标准的计算机环境内进行的，比赛采用c l l e n t s e r v e r 方式由r o b o c u p 委员会提 供标准的s o c c e rs e r v e r 系统各参赛队编写各自的c 1i e n t 程序，模拟实际足球队员进行 中国科学技术大学硕士毕业论文 5足球机器人视觉信息处理技术研究 比赛。 小型组比赛是r o b o c u p 机器人足球世界杯赛的主要项目之一，自1 9 9 7 年第一届r o b o c u p 比赛开始即是正式比赛项目。小型组研究在动态环境下使用一个集中或者分布的系统如何控 制多智能体以及完成它们的协作是多智能体集中控制方法的良好的测试平台，具有典型的 研究意义，其中使用到全局视觉，无线通讯，实时规划与决策控伟4 等。小型组是目前各个比 赛项目中场面最为精彩的一组。 小型组的比赛在两支各有5 个机器人的队伍中进行。每个机器人的尺寸必须能放进一个 直径1 8 0 m m 的圆筒，因此小型组也称作f - 1 8 0 组。小型组机器人高度不能超过1 5 0 m m ，除非 使用局部视觉系统。比赛在2 8 0 0 m m 2 3 0 0 m m 的铺有绿色地毯的场地上进行，比赛用球是一 个桔黄色的高尔夫球。 小型组机器人有两种不同类型：使用全局视觉和局部视觉。全局视觉是最通用的类型， 使用置丁场地上方3 m 的摄像头和场外的计算机来识别机器人的轨迹。使用局部视觉的机器 人在本体上订视觉传感器，由机器人自己处理或者传回场外的计算机处理。场外的计算机用 丁传递参考命令；使用全局视觉的时候也要传递位置信息。场外的计算机也用于处理机器人 协作和控制。通讯一般采用专门的商用无线芯片，主要是商_ 日j 无线调频发射和接收单元。 目前r o b o c u p 小型组吸引了世界上3 0 多个国家的大学和研究机构广泛的参与，今年六 月底在葡萄牙举行第八届r o b o c u p 比赛上共有2 1 支球队参加了角逐，德国柏林大学获得 冠军，其他著名的强队还有来自美国康奈尔大学，澳大利甄墨尔本大学、新加坡南洋理工等 学校的队伍。中国科技大学第二次参加了小型组的比赛，以两胜两负的战绩位列小组第三名， 由丁净胜球的劣势而未能进入八强。 中型组足球赛自1 9 9 7 年第一届r o b o c u p 比赛开始即是正式比赛项目。中型组的机器人 是完全自主的拥有局部视觉系统，多种传感器，是典型的多智能体分布式控制的测试平台。 中型组是由两支各有4 个机器人的球队在5 x1 0 米的场地上进行的比赛，每个机器人的尺寸 小r5 0 x 5 0 8 0 c m 。所有的机器人是全自主的，就是说，传感器、视觉以及运动控制均由 机器人本身处理。机器人之间用无线通讯来协调。中型组提供了个多机器人系统、自主导 航、数据融台、视觉感知等的研究的平台。 目前世界各国参加r o b o c u p 中型组比赛的球队规模不断扩大，从历届比赛的成绩来看， 中裂组中有三支实力较强的队：德国弗赖堡( f r e i b u r g ) 大学的c s f r e i b u r g 队( 三次冠军) 、 日本大阪( o s a k a ) 大学队和伊朗s h a r i f y 理工大学s h a r i f y c e 队 r o b o c u p 四腿机器人赛从1 9 9 9 年开始列为r o b o c u p 正式比赛项目比赛在2 8 f i x4 2 t l 中国科学技术大学硕士毕业论文 6足球机嚣人视觉信息处理技术研究 的绿色场地上进行。四周有6 个具有唯一颜色组合的圆柱体作为地标，球门的颜色也以黄色 和蓝色唯一的加以区分。比赛双方各有三台机器人参加，全部由s o n y 公司赞助，使用其“爱 宝”( a i b o ) 宠物机器狗，双方的机器人队员以蓝色和红色加以区分，蓝方固定地攻击黄门 红方固定地攻击蓝门。每方三个队员分为一个守门员和两个攻击员只有守门员可以在本方 禁区内停留。队员使用分布式的控制，不允许全局统一控制以及远程控制。机器人队员只能 依靠机器入本身的设备去感知、思考和实施行动。比赛以进球多的一方为胜，在淘汰赛中 当双方战成平局时则直接进行i 对l 点球大战。 r o b o c u p 的目标是到2 0 5 0 年，一支由机器人组成的球队，能够战胜当年的人类世界冠 军足球队。双足、直立行走的人形( h u m a n o i d ) 足球机器人的开发，就是向这个目标迈进了一 步。人形机器人从2 0 0 1 年最早出现在r o b o c u p 比赛中，但仅仅是作为表演项目。人形机器 人组的比赛一般分为规定动作部分和自由发挥部分。规定动作包括单腿站立长达一分钟、行 走、踢球、点球比赛等等，自由发挥比赛中，每队有5 分钟时间展示机器人的各个动作。有 裁判从技术和艺术两方面进行评分。目前的人形机器人的研究仍然处于基础阶段，未能形成 真正的比赛。2 0 0 3 年意大利r o b o c u p 世界杯上正式把类人组作为其中一个项目，但也仅仅 包括往返跑和一对一点球这两种形式。 1 2 3 足球机器人研究的进展 在国际机器人比赛蓬勃开展的同时，有关机器人足球系统和机器人足球竞赛的理论研究 也取得了妖足的进展。在每一届世界杯比赛之前，主办方都会举行培训和研讨会，同时召开 机器人足球专题的国际学术会议。2 0 0 2 在德国召开的f i r ar o b o tw o r l dc o n g r e s s 就录用了 来自2 6 个国家的1 4 2 篇论文。这些论文集中介绍了与机器人足球相关的视觉系统、运动规划、 动作发计、策略选择等领域的最新研究成果。这些学术研讨和交流活动极大地促进了相关学 科的理论研究，而理论研究的成果又使得机器人足球比赛的水平不断提高。从1 9 9 7 年第一届 r o b o c u p 举办至今。随着硬件性能的飞速提高。足球机器人的性能也突飞猛进。现在每秒几 十帧的视频采集、处理速度以及2 m s 的足球机器人运动速度已经不再新鲜，大多数的球队都 能达到这样的水准 7 。在视觉处理速度大幅提高的同时有关足球机器人动作和策略的研 究也取得了显著的成绩。在初期比赛中机器人之间因为缺乏合理的分工协作而相互挤作一团 的现象已经不复存在，取而代之的是机器人之间更为精确的配合比赛的精彩程度也在不断 的提高。 我国也在机器人研究事业上做着不懈的努力。1 9 9 7 年9 月东北大学仿真中心正式成 立机器人研究室开始研制足球机器人。东北大学、哈尔滨工业大学等少数几所学校的师生 中国科学技术大学硕士毕业论文 足球机器人视觉信息处理技术研究 进行了相关软硬件的研发。1 9 9 8 年中国科技大学组建了国内第一支r o b o c u p 仿真足球队。 中国科技大学和清华大学在国内引入了r o b o c u p 仿真比赛。1 9 9 9 年首届全国r o b o c u p 仿 真机器人足球赛在重庆举行。中国科技大学夺得了冠军和亚军。同年东北大学的牛牛 ( n e w n e u ) 代表队，用自行开发的硬软件系统在巴西举行的第4 届机器人足球世界杯赛( 1 9 9 9 f i r a c u p ) 上一举夺得了标准动作比赛冠军，实现了中国在机器人足球国际赛场上金牌零的 突破。 2 0 0 2 年1 月，中国8 6 3 机器人主题专家组正式将足球机器人系统的研究开发列为8 6 3 项目。中国自动化学会机器人竞赛工作委员会开始统一组织包括r o b o c u p 和f i r a 两个项目 的机器人足球比赛。同年5 月，f i p , a 世界杯比赛在韩国举行，中国队战绩不俗，共获得三 枚金牌。 2 0 0 3 年1 月，中国科学技术大学蓝鹰队参加了首届澳大利皿公开赛( 悉尼) 并获得冠军。 同年的7 月，第七n r o b o c u p 世界杯在意大利帕多瓦结束。在仿真组比赛中，清华大学、北 京理l ：人学和中国科技大学进入八强分列二、四、六位。在2 0 0 4 年葡萄牙r o b o c u p 世界杯 上，清华大学、浙江大学分别获得了仿真组的第二名和第八名。 虽然国内的足球机器人比赛与过去相比取得了很大的进展，但应指出的是，国内在全自 主机器人方面的研发水平与国际上尚有很大差距，在r o b o c u p 世界杯比赛上已经看到人形足 球机器人的精彩表演。但国内在这方面的研究工作还剐刚开始，远远落后于国外。大力开展 拟人智能足球机器人研究下作将是今后研究工作的主方向。 1 3 足球机器人研究的目的和意义 机器人足球是人i i 智能领域与机器人领域的基础研究课题，是一个极富挑战性的高技术 密集型项目。它涉及的主要研究领域有：小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、数据 融合、精密仪器、实时数字信号处理、图像处理与图像识别、知识工程与专家系统、决策、 轨迹规划、白组织与自学习理论、多智能体协调、以及无线通讯等等。 要实现在2 0 5 0 年进行人机大战，必须要使机器人具备人的体态、体感、体能、技能、智 能、以及感知能力，因此除了以上研究领域外，还涉及生态、材料、能源、传感技术等学科。 不难看出，需要创新的内容非常得多所涉及的研究领域也非常得多，并且不仅仅要求在这 些领域内取得要取得巨大的突破，还要求在各个学科之间耍进行交叉与集成。机器人足球同 时义提供了一个标准任务。使得研究人员能够利用各种技术。获得更好的解决方案从而有 反过来促进各个领域的发展。这也就是开展机器人足球研究的深远意义，也是机器人足球研 究的魅力所住。 中国科学技术大学硕士毕业论文8 足球机器人视觉信息处理技术研究 机器人足球除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它 可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综 台能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。机器人足球提供了一个对学生的 能力进行培养的大舞台。 1 4 论文内容安排 论文内容安排如下： 第一章：首先在简要介绍机器人发展历史的基础上，对多智能体系统的典型代表足 球机器人这项赛事的起源、组织以及发展现状作了详细的阐述。晟后介绍了本论文的研究内 容和意义。 第二章：首先简要的介绍了足球机器入的系统结构，然后详细分析了足球机器人视觉子 系统的工作流程，找出影响视觉系统性能的主要因素，提出了改进措施和努力方向。 第三章：介绍了一些背景知识，帮助我们理解彩色及彩色图像信息的知识，并且表述了 常用的颜色模型以及它们之间的相互转换关系。在这一章中，我们对彩色图像的分割做了有 意义的探讨。论述了传统彩色图像分割算法，并在此基础上提出了在h s i 色彩空间中的基 丁闽值向量的颜色分类算法，以及适用于足球机器人视觉处理的颜色相似性度量方法为后 面章h 足球机器人视觉系统的实现打下了算法基础。最后本章还简要介绍了真色彩增强技术 和光线补偿技术。 第四章：本章是足球机器人视觉系统的实现技术，介绍系统硬件所涉及的各重要组成部 分c c d 摄像头、图像采集卡和镜头简要阐明各自的工作原理，具体、详细地论述各部 分的土要性能指标以及选择依据。接着对足球机器人视觉系统所采用的变焦广角镜头的几何 畸变进行了详细地分析，并在此基础上提出解决镜头几何畸变问题的方法。接着对色标的设 计和实现、颜色信息库的建立、场上目标的分割与识别、场上目标的跟踪等一系列重要的步 骤进行了详细的阐述。 第无章：对视觉处理软件方面做出分析，明确各功能模块作用，完成所有视觉处理软件 结构分析和编程实现。 第a 章：在论文的最后一章中总结全文的工作并对足球机器人技术的发展做出了展望。 中国科学技术人学硕 ：毕业论土 9 足球机器人视觉信息处理技术研究 第二章足球机器人视觉系统 2 1 足球机器人系统的结构 对于一个全局视觉单向集中式控制的足球机器人系统，包括机器人子系统，视觉子 系统，决策子系统和通讯子系统四个部分，其中机器人子系统可以看作执行机构或控制对象。 视觉子系统是系统的检测环节，决策子系统可看作整个系统的控制器，而无线通讯子系统则 在决策子系统和机器人小车子系统之间起到信息交流的桥梁作用，各部分之间的关系由图 2 1 所示： ，一、 动态场景信息，一、 机器人参数 ，、 ( 机鬃金) z 二( 视觉予系统) 二( 块策予系统) 、一 控制指令厂7 气磊 图2 1 足球机器人系统关系图 2 1 1 机器人子系统 机器人子系统是整个系统中的硬件部分，也就是在场上比赛的队员，机器人子系统的具 体设计可能千筹万别但一般来说都主要包括了微处理器、驱动装置、通讯部分和电源四部 分如幽22 所示。 圈22 机器人子系统的主要构成 中周科学技术大学硕士毕业论文 1 0 足球机器人视觉信息处理技术研究 2 1 2 决策予系统 足球机器人决策子系统属于典型的智能控制系统，在系统中广泛采用了模糊控制、神经 网路、和自学习专家系统。决策子系统根据比赛现场的情况，如当前得分、谁控制球、对手 的水平等因素安排各自的策略决定是进攻还是防守，再由策略库做出战术部署，即由装在 主机中的决策子系统根据视觉系统给出的数据，应用专家系统技术，判断场上攻守态势，分 配本方机器人攻守任务 9 。其中的策略是根据比赛规则和经验进行提取，并存在知识库中， 知识库有一个学习智能体，用于不断丰富策略。各种智能算法如神经网络、模糊算法、遗传 算法等也能应用到构造策略库以及策略选择过程中。策略系统根据采取的对策，决定各机器 人的运动轨迹然后形成给各机器人小车左右轮轮速的命令值，最后发送出去，机器人小车 根据接收到的一系列的命令完成其路径。 2 1 3 通讯子系统 无线通讯子系统负责将决策子系统发出的控制指令准确无误地传达给机器人子系统，使 整个系统形成一个稳定可控的闭环，无线通讯系统的性能直接影响着机器人在场上的表现， 这要求它必须保证从主机端到机器人底层之间的通信信道是透明的、可靠的，并且必须具各 一定的检错或者纠错能力，使得我方机器人可以准确执行主机端决策程序发出的控制命令， 使比赛能够顺利流畅的进行。 无线通讯可以有两种方式供选择：远程红外( i n f r ar e d ，i r ) 通讯系统 1 0 和无线射频 ( r a d i 0f r e q u e n c y ，r f ) 通讯系统 1 1 。i r 通讯和r f 通讯各有利弊。采用i r 通讯的优点是容 易实现、价格低廉、传输速度快，缺点则是有效距离短，定向性和可靠性较差，容易受到光 线和阴影的干扰：采用r f 通讯系统的优点是有许多成熟的商业模块可以选用，性能有保障 而缺点是价格较贵。综合考虑传输速度、可靠性和价格等因素，一般足球机器人系统采用r f 通讯方式。在足球机器人中，无线通讯模块包括连接计算机的无线发射模块和安装在机器人 上的接收模块。系统通过通讯模块对机器入进行遥控。 2 1 4