专利名称：一种足球机器人投影识别算法的制作方法
技术领域：
本发明属于图像处理领域，具体涉及一种足球机器人投影识别算法。
背景技术：
足球机器人比赛是由国际机器人足球联合会(筒称FIRA)组织安排的世界 杯赛事，从96年开始每年一届，已在包括中国北京在内的世界多个著名城市举 办过，已逐渐成为高技术产业的研究热点之一，受到世界各国的重视。足球机 器人系统主要分为硬件、传感(视觉)、通信、控制和上位机系统，研究的热点 主要是足球机器人视觉研究、决策规划研究、硬件平台研究、通讯研究等。视 频采集模块用来实现在Windows环境下，通过采集卡和CCD摄像头来获取视频信 息，以用来进行视频处理，其主要工作是快速识别敌我双方的6个机器人和1个 小球，通过采集卡获得的图像信息，直接存放在内存中，不通过文件，其它程 序可以直接进行数据处理。图像的大小依采集卡的性能而定。图像的尺寸以CCD 的最大采集图像尺寸的为基准，可以设置三个档次最大尺寸，最大尺寸的1/2， 最大尺寸的1/4。视频处理和识别模块主要包括基本信息设置、视频环境因素控 制、视频触发时机控制、颜色处理和视频跟踪识别等。颜色是人的视觉系统对 所接受到的光信号产生的一种感觉，不同波长的光信号带给人不同的颜色感受。 在足球机器人视觉识别系统中，由于彩色图象信息比较突出，充分利用颜色信 息的特性对视频数据较易识别和处理，因此在识别过程中主要利用它们的颜色 信息。机器人色标的设计多种多样，队员的图案亦不尽相同，但颜色种类有一 定的规定， 一种可能的颜色选^^如表所示。表l 颜色信息表
编号
类别
颜色值
备注
1 场地
2 场地中网才各线的 颜色
3 足球颜色
4 参赛球队的队标 颜色
5 队员标志颜色
深绿色 白色
橘红色 黄色或蓝色
自定，不能与队标 禾n场i也相同
参赛球 队的队标颜 色限为黄色 和蓝色两种， 才艮据双方选 择而定，贴于 才几器人的顶 部。
在对目标识别和跟踪方面，目前的识别方法识别速度一直是制约足球机器 人j言息处理系统反应时间的主要因素，中国专利CN200510027280. 6 7>开了一种 足球机器人视觉快速识别方法，这种方法在机器人目标识别过程中，首先以球 和机器人球队色标为目标，以上一帧图像的已有点为起点以矩形螺旋方式搜素， 搜索到机器人队标后，再以队标为中心搜索机器人号码和方向色标；该方法的 缺陷是有时螺旋搜索的运算时间较长，并且若出现误识别或跟踪信息丢失，将 成倍加大搜索时间。
发明内容
针对现有足球机器人目标识别方法的缺陷，本发明提出 一种快速视频识别 算法，该算法利用区域投影方法捕获每秒不低于30帧的目标图像数据，机器人 的大小可由系统设置输入，如可为75 x 75 x 75鹏，在图象中为正方形，此种 情况下的正方形的边长为75鹏。具体实现方法是首先4巴比赛场地分成了若干 区域，在这些区域内搜索一个内部点，然后以此点为起点沿垂直或水平方向在 目标区域搜索，计算该点的投影值，根据这些投影值识别出目标的一个顶点(或
5小球的球心)，进而识别出目标；最后，提取出运动目标的位置和方向；所述算
法可直接应用于实际比赛，能快速准确地识别目标，可满足不同应用场合、不
同功能的足球机器人比赛系统。本发明的算法步骤为 第一步，寻找种子点
由于运动目标的区别标志是颜色，在存储的颜色链表中选取目标颜色值(球 或机器人)，根据阈值范围，在图像中查找此类颜色区域，找出种子点。
在比赛过程中，种子点的选取除了要根据先前位置判断下一步的可能出现 的区域外，还要根据帧间图像相似性的特点，由上一帧甚至上几帧图像的具体 位置，预测目标可能出现的位置。预测完成后，根据预测结论，在预测区域， 以区域中心为中心，以机器人正方形内切圓的直径为边长作为搜索区域，并在 此区域中根据此颜色阈值范围搜索种子点，若搜索成功，返回种子点。
若失败，此搜索区域外，以同样大小搜索区域组成8个8-邻域区域，并根 据阈值范围依次搜索没有搜索的区域，递归上述算法，即可求出种子点。
第二步，目标位置确定
找到了种子点，利用投影法就可以求得正方形的一个顶点的坐标值，那么， 利用它的边长信息及颜色信息(机器人的颜色应是非背景色非球色)可以求得其 他顶点的坐标值以及机器人色标，从而识别出机器人的位置信息和队员特征。
第三步，目标速度和运动方向
利用队员颜色中心与正方形中心的角度可以得出我方机器人的方向角，根 据前几帧图像的判断结果，可计算出机器人的速度、方向和未来走向等信息。本发明所涉及的目标识别算法可直接应用于实际比赛，能快速准确地识别 目标。
以下结合附图和具体实施方式
进一 步说明本发明。
图1为本发明的首帧图像视频跟踪流程图。
图2为本发明的由种子点求机器人左边界交点搜索流程图。
图3为本发明的机器人定位过程示意图。
具体实施例方式
参阅图1所示，本发明所述的投影识别算法的首帧机器人图像视频跟踪子
模块首先按扫描行寻找非背景色或非橘红色，找到后求出种子点P;由点P用投
影法求机器人正方形的一个顶点；由此顶点用投影法求机器人正方形的其他四
个顶点及其中心；计算并判别机器人的类别和方向等信息；最终输出我方三位
机器人队员的位置和方向信息。
参阅图2所示，本图描述了本发明所述的求机器人正方形顶点过程中的搜
索左边界交点子模块，目标是寻找当前扫描行与机器人的左边界交点。依据搜
索步长b(b〉二l),向左搜索，判断当前点的颜色值。对于同一个机器人，其颜
色值进行了归一化处理，即认为在这个机器人所含的正方形区域内，把颜色值
看作1;而不在区域内的点，均可以把其颜色值看作O;若颜色值为1,则向Y
轴做投影，继续搜索；否则，依据判別条件输出边界点。
计算投影的步骤为1) 从当前点向上作y轴投影，投影最大距离为^边长倍；
2) 计算投影值的方法是自当前点向上搜索，若颜色值为1，此点仍是内部 点，累加l,反之，若颜色值为0，说明到了外部，停止搜索，保存累加值。搜 索终止条件是向上搜索的投影距离。有了类似终止条件，就能很好地处理几个 机器人叠在一起的情况。
3) 向左搜索并计算投影，在向左搜索过程中，投影值是递减或递增的，这 说明程序正在正方形内部正常搜索，若当前点颜色值为0，搜索步长退回前一步。 判断前一步的这个当前点，若颜色值不为零，更改搜索步长为1，继续向左搜索， 此时，距离边界点L只有一步之遥了，搜索到0值后，即找到了边界交点L,它 就是搜索路径上的前一个点。
参阅图3所示，本图描述了本发明所述的求机器人正方形顶点的搜索算法。 从边界点L,按指定步长b向上(或向下)搜索，搜索的最大长度为边长的V^倍 (若有同类机器人重叠情况，不至于进入非识别物内部太远)，直至颜色值为O， 表示已到另一边界。若向上搜索的开始一步(或可能几步，此时主要区分机器 人粘连情况)颜色值为O,表示可能已出界，要搜索的顶点一定在下面，应向下 搜索，这里假设向上搜索。在从下到上的搜索过程中，每向上移动一步，有下 面两个步骤
1) 检查当前点颜色值，判断是否结束。
2) 从当前点向左作投影距离为V /2边长的横向投影，累加投影值。
最后判断并确认投影值从小变大后，又从大变小的分界线，此分界线上最 左的颜色值为1的点即为顶点S。
本发明所述的目标投影识别算法具有计算量少、图像处理速度快和易于实现等优点，可直接应用于实际比赛，能快速准确地识别目标，可满足不同应用 场合、不同功能的足球机器人比赛系统。
权利要求
1、一种足球机器人投影识别算法，其步骤是首先把比赛图像的场地分成了若干区域，通过按行扫描视频图像，在这些区域内搜索一个种子点，然后以此点为起点沿垂直或水平方向在目标区域搜索，计算该点的投影值，根据投影值识别出目标的一个顶点(或小球的球心)，进而识别出足球机器人正方形的所有的顶点；最后，提取出运动目标的位置和方向。
2、 根据权力要求1所述的足球机器人投影识別算法，其特征是所述种子 点的选取除了要根据先前位置判断下 一 步的可能出现的区域外，还要根据帧间 图像相似性的特点，由上一帧甚至上几帧图像的具体位置，预测目标可能出现 的位置；预测完成后，根据预测结论，在预测区域，以区域中心为中心，以机 器人正方形内切圓的直径为边长作为搜索区域，并在此区域中根据此颜色阈值 范围搜索种子点。
3、 根据权力要求1所述的足球机器人投影识别算法，其特征是所述图像 内某点投影的计算步骤是1) 从当前点向上作y轴投影，投影最大距离为^边长倍；2) 对于同一个机器人，其颜色值进行归一化处理，即认为在这个机器人所 含的正方形区域内，把颜色值看作1;而不在区域内的点，均可以把其颜色值看 作0;3) 计算投影值的方法是自当前点向上搜索，若颜色值为l且此点仍是内部 点，累力口l，反之，若颜色值为0，说明到了外部，停止搜索，保存累加值。
4、 根据权力要求1所述的足球机器人投影识別算法，其特征是所述根据 投影值识别目标的一个顶点的方法是为首先从种子点出发，向左搜索，寻找 扫描行与机器人的左边界交点，然后依据此左边界交点，最后搜索并获得机器人的一个顶点。
5、 根据权力要求1所述的足球机器人投影识别算法，其特征是所述足球 机器人的四个顶点和方向可由已得到的一个顶点、足J求才几器人的边长和颜色信 息通过计算获得。
6、 根据权力要求1所述的足球机器人投影识别算法，其特征是所述足球 机器人的速度和未来走向可根据前几帧图像的位置信息计算获得。
7、 根据权力要求4所述的足球机器人投影识别算法，其特征是所述寻找 扫描行与机器人的左边界交点时，向左搜索并计算投影，若在向左搜索过程中， 投影值是递减或递增的，这说明程序正在正方形内部正常搜索，若当前点颜色 值为0，搜索步长退回前一步；判断前一步的这个当前点，若颜色值不为零，更 改搜索步长为l,继续向左搜索，搜索到0值后，即找到了边界交点L,它就是 搜索^各径上的前一个点。
8、 根据权力要求4所述的足球机器人投影识别算法，其特征是所述搜索 机器人一个顶点的过程中，从边界点按指定步长向上(或向下)搜索，搜索的最大长度为边长的^倍，直至颜色值为0,表示已到另一边界；若向上搜索的 开始一步(或可能几步，此时主要区分机器人粘连情况)颜色值为0,表示可能 已出界，要搜索的顶点一定在下面，应向下搜索；这里假设向上搜索。在从下 到上的搜索过程中，每向上移动一步，有下面两个步骤1) 检查当前点颜色值，判断是否结束；2) 从当前点向左作投影距离为V^/2边长的横向投影，累加投影值；最后判断并确认投影值从小变大后，又从大变小的分界线，此分界线上最左 的颜色值为1的点即为顶点S。
全文摘要
本发明涉及一种足球机器人投影识别算法，该算法与其他方法相比有计算量少、图像处理速度快和易于实现等优点。具体实现方法是首先把比赛图像的场地分成了若干区域，在这些视频图像区域内搜索一个种子点，然后以此点为起点沿垂直或水平方向在目标区域搜索，计算该点的投影值，根据这些投影值识别出目标的一个顶点(或小球的球心)，进而识别出目标；最后，提取出运动目标的位置和方向；所述算法可直接应用于实际比赛，能快速准确地识别目标，可满足不同应用场合、不同功能的足球机器人比赛系统。
文档编号G06K9/62GK101540001SQ20091013715
公开日2009年9月23日 申请日期2009年5月4日 优先权日2009年5月4日
发明者王金鹤 申请人:青岛理工大学