基于CMOS智能小车视觉系统设计要求

摘要：本文主要介绍了基于CMOS数字图像摄像机在智能小车项目中构建视觉系统的应用。首先介绍了智能小车视觉监控系统的硬件构成。再叙述了视觉图像监控软件系统，该软件系统从功能上主要分成六个模块，整个软件系统通过六个模块协调工作，共同完成任务。实验表明，本文所叙述方案设计的有效性和正确性，并具备一定参考和实用价值。
关键词：CMOS；视觉监控系统；障碍物识别


1 前言
智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统。智能小车对环境的感知能力要求智能小车具有环境感知传感器，随着机器视觉理论的发展以及视觉系统本身具有的优势，视觉传感器己是最重要的选择。
智能小车视觉系统的总任务是环境感知。视觉感知是利用图像输入系统加上图像处理分析系统来完成的。而其最主要和最基本的功能就是视频图像的检测识别和预警，即确定智能小车所观察各种复杂环境中是否出现障碍物，并对其安全行驶起到辅助作用。
本文主要针对自主开发的智能小车，选用新型高集成度的硬件设备，配合以VC++模块化程序设计的软件系统进行视觉系统的开发。
2 智能小车视觉系统硬件的

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构成

2.1 智能小车视觉系统硬件设计思想

智能小车的视觉系统是要为智能小车开发具有类似人类视觉能力。
智能小车视觉系统是模仿人类的视觉系统进行搭建。是以计算机为中心，由视觉传感器、图像采集卡等构成。

2.2 硬件选用

根据智能小车的自身特点，要求其视觉系统平台的搭建满足体积小、重量轻、功耗小、高适应性、成像速度快、可靠传输性强、性价比高等特点。经过综合考虑本实验选用MVC1000SA数字摄像机，并同时选配LM12JCM的光学镜头。
MVC1000SA 数字摄像机是由CMOS数字图像传感器芯片、芯片电路及集成的显示控制器的图像采集卡构成。通过Gigabit Ethernet数字接口，连接于计算机的千兆网卡和计算机进行数据的通信。

2.3 其他配件

智能小车动力采用36V直流充电电瓶，MVC1000SA数字图像摄像机使用12V直流供电。因此需要设计专门的摄像机供电电源。
在要求输出电压是固定标准值，且技术要求不是很高的稳压电源时，可选择三端固定输出电压式集成稳压器，本次设计选择W78XX系列集成稳压器得到正电压的输出。7812，7824．是常用的固定正输出电压的集成稳压器，输出电压分别为+24V和＋12V，最大输出电流为1A。它内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。
3智能小车视觉系统软件设计

3.1 图像处理颜色空间模型的建立

由摄像机获取智能小车前方目标图像，因彩像能够反映更多的空间信息,本系统采用HSI颜色空间模型进行图像分析与识别，但由于COMS摄像机采集的图像是RGB格式，所以需要把RGB模型转换为HSI颜色模型，然后再进行相关的图像处理。缩短其响应时间，更有利于对智能小车的实时控制。两者转换公式如下：

3.2 软件设计的主要功能模块

智能小车视觉系统，主要完成对小车行进时摄像机所拍摄到实时图像的进行采集、实时显示、图像i存储及对视野内是否有障碍物出现的进行分析判断，对判断出现的障碍物图像信息进行图片形式存储以备后续的图像分析使用。并将判断结果传送到智能小车控制总系统中，配合智能小车上安装的红外线测距传感器、超声波测距传感器等多种传感器进行信息分析处理，并依据对其处理结果对下位机发出指令，控制智能小车电机驱动器等执行装置，共同完成智能小车的避障。
（1）实时采集显示模块：
智能小车图像实时采集在硬件上是通过摄像机完成的，将安装在智能小车前端摄像机所拍摄到周围环境的图像传输显示到视觉监控软件平台上。在小车行驶过程中，这些图像实时的反映了智能小车和周围环境的关系。本模块主要功能为打开设备，检查设备是否正常连接；打开图像实时采集，在软件显示屏上显示实时图像；可设置显示帧率；关闭实时显示，关闭设备，退出程序。
（2）障碍物判断存图模块：
本模块运行时打开判断采集模式；可设置全屏模式障碍物识别；可设置区域模式障碍物识别；可设置判定障碍物的参数；可设置存图路径及存图格式。本实验中根据智能小车运行的特点：无固定场景，无指定路线等。本文提出了在非固定场景复杂背景下选用适用于彩色分割的HSI颜色模型，利用了受周围整体环境影响较小，但对视野内障碍物变化较明显的H分量对障碍物进行判断预警，提高了对视野内障碍物判断的实时性。
（3）通信预警模块：
智能小车视觉监控软件与上位机组态软件共用一台处理器，故处理器的性能将受到很大的制约。当障碍物判断模块判断出障碍物出现时进行存图。此时激发预警模块，将存图的数目显示在监控软件工作状态栏内。同时把信息写入可控日志中。上位机通过定时扫描读取日志，获取信息，完成软件间的通讯。
（4）I图像录制模块：
试验中录制的I文件中的数据流只包含视频流。通过设置默认对实时捕捉的频率为每秒15帧。通过录制视频对话框，及视频文件保存对话框进行视频保存设置。保存模块采用MPEG-4基于对象的压缩解码技术进行智能小车运动过程视频信息的保存。
（5）工作状态显示模块：
在整个系统运行过程中需要随时显示采集状态以及所连接设备的状态等，这样可以使用户只需通过屏幕就可以了解系统状态，而不需要再分散注意力再去关注其它因素。本模块显示使用摄像机的硬件信息；显示采集显示状态；判断存图状态；显示当前存图数量。
（6）显示图像管理模块：
显示图像管理模块主要完成的是显示参数的设置。主要完成白平衡调节；图像采集参数调节；图像显示比例调节。

3.3 软件界面设计分布

实验软件系统采用基于MFC文档的模块化程序设计。采用VC++来进行图像编程的主要原因是，VC++在程序运行的效率、内存使用的可控性和编程的灵活性上具有优势。图像处理需要进行大量的图像数据运算，经常使用复杂、费时的算法，因此图像处理程序的运行效率非常重要。VC++代码被编译成汇编语言，可以直接在处理器上运行，效率很高。

图1 软件界面
4 结论
本文对智能小车视觉系统进行了硬件方面和软件方面进行设计，由此可以得出如下结论：
1)运用MVC1000SA-GE30摄像机，利用其低能耗、高速处理能力且安装操作简单方便。
2)提出了在非固定场景复杂背景下选用适用于彩色分割的HSI颜色模型，利用变化较明显的H分量对障碍物进行判断预警，提高了对视野内障碍物识别的实时性。
3)视觉监控软件系统基于Window，操作简便，界面友好。
参考文献：
张广军.机器视觉[M].北京.科学出版社，2005.
桑卡（美）.图像处理、分析[M].北京.清华大学出版社，2009.

作者：林静(1982-)硕士
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。