基于视觉传感的板球系统的控制实现

安全鉴别、监视和跟踪：计算机视觉可用于车场监视、车辆识别【１４１、车牌 号识别Ｈ５１、探测并跟踪“可疑”目标：根据面孔、眼底、指纹等图像特征识别 特定的人。
国防系统：计算机视觉在国防中的作用越来越重要，主要是可以分析大量先 进成像传感器的输出【ｌｑ，可以根据图像，作出各种决策，自主操作，如图像制 导与目标识别０７－１８１。
ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ａｃｔｉｖｉｔｙ ｔｅｒｒｉｔｏｒｙ ｔｈａｔ ｔｈｅｙ ｃａｎｎｏｔ ｒｅａｃｈ ｂｙ ｔａｋｉｎｇ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｍａｃｈｉｎｅｓ．Ｉｎ ｃｏｍｐａｎｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｉｍａｇｅ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ
ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｂｊｅｃｔｓ．
１１圮ｔｈｅｓｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｔｈｅ ｃａｍｃｌ＂ａ ｍｏｄｅｌ。ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ
ｃ卸∞胁ｍｏｄｅｌ．ａｎｄ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ
ｃａｎ ｆｉｇｕｒｅ ｏｕｔ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ
ｍｏｖｉｎｇ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ；ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ｏｆ
ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ，ａｎｄ ｂｏｔｌｌ ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｏｆ ｓｕｃｈ ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃａｎ ｆｉｔ
ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．
ｄｅｃｉｓｉｏｎｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｕｃｈ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｔｉｎｇ ｑｕｉｃｋｌｙ．Ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｓ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐａｔｉａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｌａｉｎ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｕｐｏｎ ｔｈｅ Ｂａｌｌ·Ｐｌａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ａ ｍａｃｈｉｎｅ ｖｉｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ
硬士学位论文
第一章绪论
第一章绪论
１．１选题背景
１．１．１计算机视觉概述
人类感知外部世界主要是通过视觉、触觉、听觉和嗅觉等感觉器官，其中约 ８０％的信息是由视觉获取的．视觉，不仅指对光信号的感受，还包括了对视觉信 息的获取、传输、处理、存储与理解的全过程．因此。对于智能机器来说，赋予 机器以人类视觉功能对发展智能机器是极其重要的，也由此形成了一门新的学科 ——期．器视觉（也称计算机视觉或图象分析与理解等）【１１．机器视觉的发展不仅将 大大推动智能系统的发展【２ｌ，也将拓宽计算机与各种智能机器的研究范围和应用 领域．机器视觉的研究目标是使计算机具有通过二维图像认知三维环境信息的能 力．这种能力将不仅使机器能感知三维信息中物体的几何信息，包括它的形状、 位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储，识别与理解。机器视觉是 研究用计算机来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术翻．机器视觉系统的 首要目标是用图象创建或恢复现实世界模型，然后认知现实世界【４】。
ＫＥＹ ＷＯＲＤＳ Ｂａｌｌ－Ｐｌａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ，ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅｌ，ｃａｍｅｒａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，
ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ
ｎ
原创性声明
本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。
计算机视觉技术正被广泛的应用于许多方面，需要人类视觉的许多场合几乎 都有计算机视觉的应用，特别是在许多人类视觉无法感知的场合，如精确定量感 细，危险场景感知，不可见物体感知等，计算机视觉更能凸显其无可比拟的优越 性．目前，计算机视觉主要应用于以下几个方面：
自动化生产线：工业环境的结构、照明等因素可以得到严格的控制，计算机 视觉技术在自动化生产和装配、检测中得到了很好的应用同，能够用于识别零件 明，为工业机器人或机械手提供定位、操作信息，以便机械手进行准确操作．
ｗｏｒｋｓ ｏｕｔ ａ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｉｎｌｏｒｍａｔｉｏｎ ａｃｑｕｕ＇ｍｇ ａｎｄ
ｆｅｅｄｂａｃｋ，勰ｗｅｌｌ ａＳ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ
Ｂａｌｌ－Ｐｌａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ．Ａｓ ｌｏｎｇ ａＳ ｇｅｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｎ ３．Ｄ ｓｐａｇｅ ｉｓ ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ，ｈｏｗ Ｃａｎ ｔｈｅ Ｂａｌｌ．Ｐｌａｔｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｇｅｔ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ
Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ｍｏｄｅｌ ｃａｍａ＇ａ ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｉｓ
ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｓ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ａＳ
ｆｅｅｄｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｃａｎ ｂｅ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｂｙ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ．
机器人自动导航唧：机器人可同时获取某一场景的两幅图像，并以此恢复场 景的三维信息，利用这些信息来识别目标、识别道路、判断障碍等，实现道路规
硕士学位论文
第一章绪论
划、自主导航、与周围环境自主交互作用等。自动导航装置将立体图像对和运动 信息组合起来。可以完成所要求的场景深度图，这种技术已经用于无人汽车、无 人飞机、无人战车以及火星探测机器人等。
随着计算机视觉的发展，８０年代后出现了专门的图像处理硬件，人们开始 系统地研究视觉控制系统。到了９０年代，随着计算机能力的增强和价格下降， 以及图像处理硬件和ＣＣＤ摄像机的快速发展，计算机视觉控制系统吸引了众多 研究人员的关注，视觉控制在理论和应用方面都有了很大进步【５１．
１．１．２计算机视觉的应用
其他应用：计算机视觉还用于各种体育运动分析、人体测量、食品、农业、 心理学、电视电影制作、美术模型、远程教育、虚拟现实，多媒体教学等场合。
１．１．３计算机视觉研究的内容
计算机视觉研究的内容主要有输入设备【ｌ明、低层视觉、中层视觉、高层视 觉刚、系统结构等。
输入设备包括数字化成像设备，成像设备是指通过光学镜头或红外、超声、 Ｘ射线等对周围场景和物体进行探测成像，得到关于场景和物体的二维或三维数 字化图像，获取数字化图像是计算机视觉的最基本功能。目前用于计算机视觉的 大多数输入设备都是商品化的产品，如数码相机、ＣＣＤ黑白或彩色摄像机、ＣＣＤ 摄像头、数字扫描仪口¨、超声成像探测仪、ＣＴ成像设备等等ｉｖ，ｌ，但这些输入设 备还远远不能满足实际的需要仍有许多研究入员在研究性能更为先进的成像系 统，如红外成像系统、激光成像系统，还有所谓的计算成像系统等。
低层视觉（１０ｗ ｌｅｖｅｌ）主要是对输入的原始图像进行处理，这一过程借用了 大量的图像处理技术和算法，如图像滤波、图像增强、边缘检测等，以便从图像
作者签名：进 日期：过年由生日
关于学位论文使用授权说明
本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。
作者签名：渤导师签名：≯ｐ日期：出年』月塑日பைடு நூலகம்
论文构造了针对板球系统的摄像机模型，针对线性摄像机模型的 标定方法进行了研究和实现，并能够根据标定结果实时计算目标物在 世界坐标系中的真实坐标。研究了单一背景下识别运动物体，并对运 动物体在三维空间中实际位置定位过程，给出针对板球系统所采用的 一套图像处理、信息获取和信息反馈的流程，以及针对板球系统的坐 标变换方法。对运动物体在三维空间中的定位，板球系统如何利用单 目摄像机来获得物体在空间中的位置信息，论文提出了根据二维的图 像信息，结合控制过程中运动物体所在平面的信息，从而获得物体在 空问的信息的方法；实现对运动物体的实时识别，跟踪精度和速度均 能满足控制系统的要求。
中南大学 硕士学位论文 基于视觉传感的板球系统的控制实现 姓名：吕凯 申请学位级别：硕士 专业：计算机体系结构 指导教师：张修如
20070520
摘要
在改造自然的过程中，人类凭借着对机器的运用达到了人类所不 能到达的体力和活动范围的极限。随着图像处理技术，图像识别技术 以及相关学科，如模式识别、人工智能等学科的发展，智能机器将具 有和人类一样运用视觉来理解外界环境信息，根据这些信息决策自身 行动并快速反应的能力。本文在板球系统的平台上进行单调背景下运 动物体位置的实时识别和空间位置获取的研究，模拟了机器视觉系统 中对环境和目标信息的理解过程。
本课题结合摄像机线性标定算法与图象目标识别算法，实现了获 取运动物体的真实位置并反馈给控制系统这一过程，并应用于实际系 统中，能够实现对运动物体的位置控制。
关键词板球系统，线性模型，摄像机标定，坐标变换
Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ａｎｄ ｌｉｖｉｎｇ．ｈｕｍａｎ ｂｅｉｎｇｓ ｈａｖｅ
ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｗｏｒｌｄ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，
航空宇航：航空宇航图像包括三个方面：航空摄影图像、气象卫星图像和资 源卫星图像，这些图像的共同特点是在高空对地表或地层进行远距离成像，这三 种图像的成像原理完全不同，计算机视觉技术在这三个方面的应用都获得了成功 的应用。
医学图像分析嘲：目前，医学图像已经广泛应用于医学诊断，成像方法包括 传统的ｘ射线成像Ｉ彻、计算机层析（ｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，ＣＴ）【１１】、核磁共振 成像（ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｉ＇ｃｓｏｌｔａｌｌｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ，ＭＲＩ）￡切、超声成像等１１３１。计算机视觉技术 在医学图像诊断方面有两个方面的应用，一是对图像进行增强、标记、染色体处 理来帮助医生诊断疾病，并协助医生对感兴趣的区域进行定量测量和比较；二是 利用专家知识系统对图像或图像序列进行自动分析和解释，给出诊断结果。
ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔ，ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓ ｏｆｆｅｒｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｏｂｔａｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｏｃｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｖ／ｒｏｎｍｅｎｔ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｅｄ ｂｖ也ｅ
２．Ｄ ｉｍａｇｅ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔ ｉｓ
ｓｕｂｊｅｃｔｓ ｌｉｋｅ Ｐａｔｔｅｒｎ Ｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｃｇｅｎｃｅ，ｉｔ ｉＳ ｎｏ ｌｏｎｇｅｒ ａ ｄｒｅａｍ ｔｈａｔ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｓ ｔｈｅ ａｂｉｌｉｔⅣｏｆ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｔｈｅ
ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｂｙ ａｐｐｌｙｉｎｇ ｖｉｓｉｏｎ ｌｉｋｅ ｈｕｍａｎｓ，ｍａｋｉｎｇ