ZigBee无线技术於影像追踪与影像传输之设计与应用解析

ZigBee無線技術於影像追蹤與影像傳輸之設計與應用
林國煌1*謝承哲2
1
國立虎尾科技大學電機工程系副教授
2
國立虎尾科技大學電機工程系學生
摘要
本文旨在將ZigBee無線技術應用於自走車的影像追蹤與影像傳輸之功能,其架構係整合彩色影像追蹤模組、影像傳輸模組、伺服馬達控制模組、ZigBee無線通訊模組與微處理晶片,藉由雙軸式影像追蹤系統,比較色彩追蹤與動態追蹤之效能,將最佳追蹤效果的參數應用於自走車。

另一方面,本文亦應用ZigBee無線通訊模組,透過微處理晶片,達成自走車遠端控制信號與影像傳輸功能,並且在個人電腦端,亦採用Visual Basic語言設計人機介面,顯示遙控與接收影像資料的畫面。

此實驗成果可做為實作目標追蹤自走車之參考,亦可提供ZigBee無線模組之應用實例,以提昇無線技術在智慧型機器人的應用範疇。

關鍵字:影像追蹤、影像傳輸、ZigBee無線通訊、自走車。

*連繫作者:國立虎尾科技大學電機工程系,雲林縣虎尾鎮文化路64號。

Tel: +886-5-6315628
Fax: +886-5-6315607
E-mail: mike@.tw
壹、前言
近年來,隨著機器人的應用與發展,機器視覺或電腦視覺被熱烈的討論與研究。

早期的影像追蹤主要應用在軍事用途上,常見的應用有雷達偵測、飛彈追蹤器等,而日常生活的應用,包括:視訊、遠端監控、無人飛機、智慧型互動機器人等。

早期由於電腦運算數度之限制,因此只能運用一些簡單的追蹤法則,例如在想追蹤物體上加裝一個特定形狀或塗上不同顏色,如此追蹤法則只須判定指定形狀或顏色,即可完成追蹤工作 [1]。

而後由於利用電腦進行數位影像處理的速度大幅提升,與硬體建置的成本的降低,使許多更為複雜的追蹤法則得以實現。

如結合視訊壓縮技術領域,所使用的三步搜尋法(3-step searching method,首先在壓縮過的影像中進行搜尋,接著再以三步搜尋法在原始影像中在相對應區域搜尋,以獲得精確的目標位置 [2]。

另外,如使用雙CCD鏡頭,同步擷取成對影像,經過影像處理方法分離目標物與背景,找尋目標物,達成立體視覺追蹤 [3]。

使得電腦視覺在人工智慧的應用,扮演不可或缺的角色,其發展性與應用層次益顯重要。

在新興的短距無線技術之中,ZigBee 即是一種強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網路功能等特色之無線傳輸技術,並且朝著開放標準的方向發展,IEEE 已將ZigBee 收納為 IEEE 802.15.4 的標準 [4]。

ZigBee 晶片與產品已逐漸上市,在產品發
展的初期,是以工業或企業市場的感應式網路為主,提供感應辨識、燈光與安全控制等功能,再逐漸將市場擴展至家庭中的應用,在未來的發展,可以將 ZigBee 晶片設置在手機或遙控器上,即可以在一個空間內迅速抓取配備同樣介面的無線設施訊號,以共通的手機和遙控器控制各種家電。

分析家認為,到 2006 年,ZigBee 設備將會達到每年 4 億台幣的市場規模,預計到 2010年,每個家庭將會安裝大約 50個 ZigBee 設備,將佔據家庭自動化市場的三分之二,是未來值得期待與開發的無線技術 [5]。

因此本文的研究目的在於設計與實現一個結合影像追蹤控制與ZigBee無線影像傳輸的系統,並架構於自製的自走車上,以驗證 ZigBee 無線網路在遠端控制與無線影像傳輸的應用效能。

貳、雙軸式影像追蹤系統架構
雙軸式影像追蹤系統使用CMUcam2模組作為影像追蹤模組,雙軸(水平軸和俯仰軸馬達使用兩顆伺服馬達製作,機構採用壓克力材料,製作成品如圖1所示。

使用Visual Basic設計人機介面,如圖2所示,可接收影像追蹤模組資料與控制影像追蹤模組的狀態。

圖1 雙軸式影像追蹤實體圖
圖2 雙軸式影像追蹤人機介面
一、影像追蹤模組
CMUcam2模組包含SX52微型控制器與OV6620或OV7620影像處理晶片和一個CMOS鏡頭,實體如圖3所示 [6]。

此模組擁有兩種追蹤模式,分別為色彩追蹤與動態追蹤,在色彩追蹤模式時擷取圖片每秒可達50張,動態追蹤模式擷取圖片時每秒可達26張,傳輸資料可以藉由RS-232或TTL串列通訊埠。

圖3 CMUcam2模組
二、ZigBee無線通訊
目前在短距無線傳輸介面除了以藍芽為主流之外,新興的短距無線技術也正在發展當中, ZigBee 即是一種強調低成本、低耗電、雙向傳輸、感應網路功能等特色
之無線傳輸技術,並且朝著開放標準的方向發展,IEEE已將ZigBee收納為IEEE 802.15.4的標準。

而ZigBee聯盟於2001年8月亦由Honeywell提出成立,目前主要的成員包括Invensys、Mitsubishi Electric、Motorola、Philips Semiconductor以及20多家的 IC 設計製造與系統廠商,其基本規格如表一所示 [7, 8]。

ZigBee傳輸距離最遠可達100公尺,內建ZigBee裝置與裝置之間能形成所謂的蜘蛛網狀,並且可支援6萬4千個節點,此優勢是藍芽技術難以達到的目標。

另外,ZigBee晶片價格低廉,電力消耗低,因此ZigBee相當適合作為遙控裝置的傳輸方式。

本文採用ZigBee模組其包含PIC微電腦、2.4GHz ZigBee RF傳輸模組、ZigBee RF整合型天線,如圖4所示[9]。

表一 ZigBee基本規格
頻段
全球2.4 GHz、歐洲868MHz、
美國915MHz。

裝置鏈結同時最多可255個裝置鏈結。

網路架構星型,樹狀,網狀
傳輸速率20 Kbps~250 Kbps
傳輸距離約70公尺
可使用頻道數1~16個
圖4ZigBee模組
三、ZigBee傳輸測試
此部分測試ZigBee無線傳輸時是否有錯誤產生。

透過雙軸式影像追蹤的
RS232串列通訊埠連接ZigBee模組(RS232版,電腦端USB通訊埠連接ZigBee模組(USB版,透過人機介面傳送控制信號,要求CMUcam2模組傳送回鏡頭的影像。

傳輸資料採用RS232格式傳輸,傳輸速率為115200bps,資料位元為8個位元。

此部分測試發現,ZigBee傳輸控制信號方面,可正確傳輸控制信號並無問題。

ZigBee傳輸影像方面,由於CMUcam2模組原設定提供兩種大小圖片(解析
度:176×144和352×287供使用,為減少傳輸時間,使用最小圖片(解析度:176×144測試ZigBee影像傳輸,發現ZigBee傳輸影像只能
傳送四分之三影像,如圖5所示。

此問題是由於本文所使用ZigBee 模組內部暫存器容量不足所導致,因此下面將提出解決辦法。

圖5 傳送四分之三的影像
(一 ZigBee 影像傳輸測試
由於ZigBee 模組內暫存器容量不足,所以無法正常傳輸影像,因此本文提出降低影像解析度、延長傳輸時間兩種解決方法,下面將分別對兩種方式做測試。

1、降低影像解析度
此部分測試方式,調整CMUcam2模組傳送的影像解析度,測試結果如表二所示。

表二降低影像解析度傳輸結果
影像解析度影像傳輸完整度
176×144(原始設定值
75% 164×137 86%
160×135 88% 156×133 93% 152×131 95% 150×130 100%
148×129 100%
2、延長傳輸時間
此部分測試方式,傳輸影像解析度為176×144,調整CMUcam2模組傳輸串列資料的時間延遲。

CMUcam2模組提供了傳輸延遲的功能,可設定0~255的延遲數值,測試結果如表三所示。

表三延長傳輸時間結果
延遲數值影像傳輸完整度傳輸時間
0(無延遲 75% 3.0秒
1 100% 3.5秒 5 100% 4.1秒 10 100% 5.5秒 25 100% 11.1秒
此章節測試結果發現,無設定延遲時間的情況下,傳輸影像解析度最大為
150×130。

如設定延長傳輸時間,可傳輸影像解析度為176×144,但傳輸時間加長。

四、影像追蹤實驗與結果
本文影像追蹤採用CMUcam2模組作為控制
器,此模組的追蹤模式共分為兩種,一種為顏色追蹤,一種為動態追蹤,下面將分別做追蹤實驗並比較兩者的差別,測試值的評估方式,分別定義為: (1 追蹤靈敏度:依反應時間長短為依據分為:高 (0~0.5秒、中 (0.5~1.5秒、低 (1.5~2.5秒。

(2 追蹤穩定度:依追蹤到物體時左右搖擺度數分為:高(0~5度、中 (5~15度、低 (大於15度。

在顏色追蹤的部份共有三種變數會影響追蹤效果,分別為色彩RGB 值、光亮度和色彩誤差值三種變數,下列將分別對這三種變數做實驗,其數據分別為:表四為色彩RGB 值為變數的實驗值;表五至表七為光亮度為變數的實驗值;表八至表十為色彩誤差值為變數的實驗值。

表四色彩RGB 值為變數實驗值【環境設定:光亮度為545 lux ,色彩誤差值為25】 RGB 值顏色 R G B 追蹤靈敏度
追蹤穩
定度紅 14519 16 高高黃 11015516 高高藍 16 30 74 高
高
表五光亮度為變數實驗值【環境設定:色彩為紅
色(RGB 值:145,19,16,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度
追蹤穩定度
35 lux 低高 340 lux 高高 545 lux
高
高
表六光亮度為變數實驗值【環境設定:色彩為黃色(RGB值:110,155,16,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度追蹤穩定度
35 lux 低高
340 lux 高高
545 lux 高高
表七光亮度為變數實驗值【環境設定:色彩為藍色(RGB值:16,30,74,色彩誤差值為25】
光亮度追蹤靈敏度追蹤穩定度
35 lux 中中
340 lux 高中
545 lux 高高
表八色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:色彩為紅色(RGB值:145,19,16,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5 低高
15 高高
25 高高
35 高中
45 高中
表九色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:色彩為黃色(RGB值:110,155,16,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5 低高
15 高高
25 高高
35 高高
45 中中
表十色彩誤差值為變數實驗值【環境設定:色彩為藍色(RGB值: 16,30,74,光亮度為545
lux】
色彩誤差值追蹤靈敏度追蹤穩定度
5 中高
15 高高
25 高高
35 中中
45 低低
由上列的實驗結果,當在同一種光源下且誤差值都設為25時,三種顏色追蹤效果皆很準確,追蹤距離為3.5公尺。

當光亮度為變數時,追蹤效果也隨著光亮度的變化有所改變,當光亮度下降,追蹤穩定度下降,甚至會導致無法追蹤,且追蹤距離亦有下降的趨勢。

當色彩誤差值為變數且誤差值變小時,發現追蹤穩定度增加,但有時會無法正確的追蹤,當色彩誤差數值變大時,發現追蹤靈敏度上升,但追蹤穩定度也會因而下降。

因此,光亮度以及色彩誤差值影響追蹤效果最大,為了達到最佳的追蹤效果,光亮度必須大於340 lux且色彩誤差值需介於20~30之間。

另一方面,在動態追蹤實驗部分,有追蹤色彩與光亮度兩種變數:表十一為追蹤色彩為變數的實驗值;表十二至表十四為光亮度為變數的實驗值。

表十一追蹤色彩為變數實驗值【環境設定:光亮度為545 lux】
追蹤色彩追蹤靈敏度
紅低
黃低
藍低
表十二光亮度為變數實驗值【環境設定:追蹤色彩為紅色】
光亮度追蹤靈敏度
35 lux 沒反應
340 lux 低
545 lux 低
表十三光亮度為變數實驗值【環境設定:追蹤色彩為黃色】
光亮度追蹤靈敏度
35 lux 沒反應
340 lux 低
545 lux 低
表十四光亮度為變數實驗值【環境設定:追蹤色彩為藍色】
光亮度追蹤靈敏度
35 lux 沒反應
340 lux 低
545 lux 低
在動態追蹤的模式下,同樣使用三種顏色實驗,發現無論哪一種顏色追蹤效果皆無明顯差異且追蹤靈敏度不佳。

由實驗結果,在色彩追蹤方面,優點是追蹤準確度高,缺點是必需確定追蹤顏色RGB數值,且須足夠的光亮度和適當的誤差值的,才可以準確的追蹤顏色。

而動態追蹤方面,優點是無須知道追蹤
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期 (民国九十七月 :27-36 物体的 RGB 值,缺点是追踪准确低. 参,影像追踪自走系统架构由上述 ZigBee 无线网和追踪模式测
试结果,本文将 ZigBee 应用於遥控装置讯号传输,追踪模式采用色彩追踪模式为追踪目标的方法因此 , 设定三种固定的颜色为追踪目标,分别为黄,, 红.本文硬体制作主要分为部分,一部分为自走体的系统架构,一部分为遥控装置的系统架构. 在自走的系统架构部分使用前一章所制作的双 , 轴式影像追踪加至自走上体的部分一样采用 , 压克为主要材,子采用 2 个全向(外径 5cm,外加舵一个(前 ;使用颗 360 伺服马达作为驱动子的马达,目标追踪自走长 22 公分,宽 21 公分,高 22 公分,如图 6 所示. 采用 ZigBee 模组作为遥控装置与目标追踪自走之间的传输方式,再藉由 BS2-IC 微处晶片作为接 ZigBee 模组与 CMUcam2 模组之间的传输控制晶片,并且控制自走的移动与态,使用 TTL 通讯埠作为 CMUcam2 模组与 BS2-IC 的通讯方式.遥控装置系统架构,主要由 6 个按键与 ZigBee 模组所构成,外壳部分采用塑胶盒子加工制作而成,遥控装置长 10 公分,宽 5.5 公分,高 4.5 公分,如图 7 所示. 图 7 遥控装置实体图一,BASIC Stamp 微处晶片系 BASIC Stamp 微处晶系整合 PLC 多工控 , 制器及单晶片处功能,免除使用单晶片系工作时所需的周边装置,如模拟器,烧入器等,且具备EEPROM(程式储存 ,最多可支援 4000 指; 处速可达 12000 /秒.因此本文使用 BASIC Stamp 微处晶片系中的 BS2-IC 微处晶片, 如图 8 所示,作为接 ZigBee 模组与CMUcam2 模组之间的传输控制晶片. 图 8 BS2-IC 微处晶片二,制作成果本实作主要透过 ZigBee 控制自走的移动与追踪态.当遥控装置端按下方向按钮,自走会依照所按的方向移动;当按下选择颜色钮,会使得体上的指示灯改变颜色 (顺序:黄,,红 , 显示的颜色也就是追踪目标的颜色; 当按下态选图 6 目标追踪自走实体图择钮,自走就会变目前的态 (手动或追踪 , 如在追踪态自走开始追踪所选择的目标颜 32
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期 (民国九十七月 :27-36 色;当在追踪态时按下态选择钮,会改到手动态. 为达到即时控制的目的,ZigBee 终端装置并无设计休眠模式(休眠时间 0 秒 ,所以本文考虑 ZigBee 的电功能.由於是无线传输控制, 并无法达到真正的即时控制,正常会慢 0.1~0.3 秒,但这是可容许的范围内. 在遥控距测试上,由於测试空间有限,所以无法测试超过 30 公尺以上的距.在无阻挡物的情况下,遥控距可达到 30 公尺,但在中间一道墙的情况下,遥控距约 20 尺,且目标追踪自走反应时间也加长. 在追踪态方面,追踪颜色设定有黄,和红三种颜色可以选择,三种颜色追踪效果皆为准确. 但当目标物移动至光线阴暗处,可能改变目标物颜色值,导致
无法追踪,所以实验部分皆在光线充足且光线变化大的情况. 当目标追踪自走发现目标时,会朝著目标移动.如果目标物距在 10 公分内移动,只会由双轴转动追踪,体部分为会移动;如目标移动会跟著目标物移动.但是当目标移动过快,因而超出追踪画面,会使的无法追踪而停止,必须让目标回到追踪画面中,会继续追踪目标.图 9 系自走追踪色目标之续画面. 图 9 追踪色目标续图 4 3 2 1 肆,结本文成功将色彩追踪应用於自走上,但由於色彩追踪必须先设定追踪颜色范围, 才可准确追踪目标.为改善此缺点,未将结合动态追踪,首先用动态追踪判断出目标位置,由微处晶片辨目标颜色,再转换成色彩追踪目标,解决必须先设定目标颜色的问题,提升追踪效能. 本文提出之Zigbee 於影像追踪与影像传输之设计与应用结果,透过 ZigBee 无线传输测试,分 33 析 ZigBee 的传输特性,并且用 ZigBee 模组传送遥控装置控制信号,使用影像追踪模组追踪目标, 得知目标位置,再透过微处晶片接个模组, 控制自走的移动与态.由实验结果,本文将 ZigBee 无线传输成功的应用於遥控装置上,并且於自走上加上影像追踪功能,使自走功能加强大.未研究方向将结合 ZigBee 定位的功能, 进一步提升智慧型机器人自走功能.
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期 (民国九十七月 :27-36 考文献 [1] J. Feddema and O. Mitchell, "Vision-guided servoing with feature-based trajectory generation," IEEE Trans. on Robotics and Automation, vol. 5, pp. 691-700. [2] 陈宽益,"即时视觉伺服追踪系统之设计与实现",国成功大学硕士文. [3] 钟书铭,"以 SOPC 实现强健性彩色影像物体追踪及移动预测系统",国成功大学硕士文. [4] C. E. Pughe, "ZigBee wireless standard," IEE Review, vol. 49 , issue 3, pp. 28-31. [5] 工研院经资中心 ITIS 计画,"ZigBee 基本规格",2003 . [6] "Image sensor CMOS-EYE 介绍与使用方法", /files/vision/CMOS%2 0EYE%20P1-P5.pdf [7] W. Zhu, "Wireless technology and Web," in Proceedings of the IEEE 6th Circuits and Systems Symposium, vol. 1, pp. I-26. [8] N. Baker, "ZigBee and Bluetooth strengths and weaknesses for industrial applications," J. Computing & Control Engineering, vol. 16, Issue 2, pp. 20-25. [9] 郭永球,"ZigBee 无线标准与 XBee 模块",
/tc/mgad.ph p?sublnk=article&mcontentid= 34
国虎尾科技大学学报第二十七卷第二期 (民国九十七月 :27-36 The Design and Application of ZigBee Wireless Techniques for Image Tracking and Image Transmission Kuo-Huang Lin1* Cheng-Che Hsieh2 1 Associate professor, Department of Electrical Engineering, National Formosa University 2 College student, Department of Electrical Engineering, National Formosa University Abstract This paper is for the purpose of applying ZigBee wireless techniques to image tracking and transmission functions which were set up on a mobile robot. The system architecture was integrated with color image tracking module, image transmission module, servomotor control module, ZigBee wireless communication module, and microprocessor. The efficiency between color tracing and dynamic tracing are evaluated by using the dual-axle type image tracking system. Then the best target tracing parameters are applied to the mobile robot. On the other hand, this paper also uses ZigBee wireless communication module, such the functions of mobile robot remote control signals and image messages transmission were achieved. Moreover, For the PC part, the graphical human machine interface is programmed by Visual Basic software; such the functions of remote control and image messages be displayed. The experiment provide the implementation reference for the image tracking mobile robot, also provides a complete demo for ZigBee wireless module application. The results contribute the wireless technology on intelligent robot research. Key words: image tracking, image transmission, ZigBee wireless communication, mobile robot. *Corresponding author: Department of Electrical Engineering, National Formosa University No. 64, Wen-Hua Road, Hu Wei, Yun Lin, 63208, Taiwan. Tel: +886-5-6315628 Fax: +886-5-6315607 E-mail: mike@.tw 35。