龍源期刊網 http://www.qikan.com.cn 機器視覺仿真實驗平台的研究與設計

作者：劉釗 , 胡佳 , 吳懷宇

來源：《教育教學論壇 · 上旬》 2012 年第 04 期

摘要：隨着計算機和成像技術的迅速發展，機器視覺相關的理論和技術在生產和教學中變 得越來越重要。本文分析了智能、視覺和計算三者之間的關係，指出了進化和訓練對於機器視 覺系統的重要性，設計了一種用於機器視覺研究和教學的視覺虛擬平台，提出了基於視覺仿真 的機器視覺研究和教學方法。

關鍵詞：進化計算；機器視覺；視覺虛擬平台

中圖分類號： G434 文獻標誌碼： A 文章編號： 1674-9324 （ 2012 ） 04-0210-03 當前機器視覺已經成為製造、交通、機器人、軍事等領域中各種智能系統中重要部分。雖 然大量相關的研究成果不斷湧現，但是在複雜、高速、實時的環境下，要利用計算得到相關的 視覺信息，卻依然很困難，其主要原因在於機器視覺的自適應性問題沒能得到很好的解決。目 前機器視覺也成為許多高校中电子類專業本科高年級及研究生的一門重要的專業課程。在機器 視覺的相關教學中我們發現，呈現在學生面前的是一系列的彼此難以融合的技術和方法，在視 覺系統的設計與研究過程中，存在開發與實驗的周期過長，由於實際的實驗環境的限制，實驗 過程一般難於重現，相關的算法的性能難於對照和衡量等問題。本文對視覺、智能、和計算三 者之間的關係進行了探討，提出了通過進化計算實現機器視覺的途徑，建立了基於進化計算的 機器視覺模型；為了方便基於進化計算的機器視覺的研究和實驗，本文設計了一種視覺虛擬平 台，為進化程序的學習和評價、相關的實驗和研究提供了高效的平台。 一、視覺、智能、和計算

早在 20 世紀 50 年代人們就注意到人類智能與機器之間可能存在着密切的聯繫。六十多年 來，人工智能在人類思維的部分功能的模擬，比如推理、學習、規劃等，取得了較好的效果， 但是在模擬認知、心智、形象思維、靈感思維、對未知環境的適應、以及各項功能的有機融合 時卻遠遠沒有達到預期效果。計算機對於圖像的理解問題就是一個典型的難題。對於包括人類 在內的紛繁複雜的生物界，進化論認為，生物之間存在着生存鬥爭，適應者生存下來，不適者 則被淘汰，這就是自然的選擇；生物正是通過遺傳、變異和自然選擇，從低級到高級，從簡單 到複雜，種類由少到多地進化着、發展着。人類的智能和視覺功能是自然界長期演化的產物。 生物的進化不是孤立的進行的，實際上，進化可以發生在不同的生物學層次，可以體現在分子 水平上 DNA 和蛋白質序列的協同突變，也可以體現在宏觀水平上物種形態性狀、行為等的協 同演化。從 DNA 、基因組、蛋白質組、蛋白質結構等相互關係上我們可以看出，在生物演化

龍源期刊網 http://www.qikan.com.cn 的過程中，信息扮演了重要的角色。如果我們把生物對於信息的處理看成計算的一種，那麼， 視覺、智能、計算的關係可用圖 1 表示。 二、視覺虛擬平台

1. 基本思想。在視覺系統進化計算過程中，系統和外界信息交流是非常關鍵的，眾多的視 頻材料不僅需要及時提供給學習算法使用，而且常常需要重複使用，以比較各種不同方法的處 理效果。我們將虛擬現實技術引入到視覺系統的設計中。藉助於這種方式，觀察者（人、智能 體、或者調用的處理過程）可以 “ 進入 ” 到一個幾乎是無限的數據空間之中，與其中的事物或對 象進行交互。該數據空間所描述的可以是現實世界中存在的事物；也可以是現實世界中尚未存 在，完全是假想的事物。為了驗證相關的視覺算法、及縮短算法的開發周期，本文建立了視覺 系統的仿真實驗平台。在仿真實驗平台可以進行目標識別等方面的實驗、研究和開發，特別是 對於採用進化計算方法進行的訓練和測試，具有安全、經濟、可重複及不受場地條件限制等優 勢。

2. 系統結構。視覺虛擬平台主要功能是：根據已有的媒體材料、檢測對象的特性，用視頻 的方式，再現實驗環境或者虛擬出指定的實驗環境，以便於視覺系統的研究、開發、訓練、調 試和性能測試。視覺虛擬平台主要目的是服務於視覺應用程序，為了更方便快捷地設計出高 效、準確的、實用的視覺系統，所以其真實性就顯得特別重要。為了實現以上功能，本文設計 了如圖 2 所示的系統機構，視覺虛擬平台包括：場景和目標描述模塊、背景媒體庫、運動仿真 模塊、 3 維目標建模模塊、視頻合成模塊、虛擬相機和決策編程接口、視頻显示等模塊組成。 系統工作的基本原理是，通過操作人員輸入關於場景和目標描述信息，從媒體庫中選擇適當的 背景視頻，並對目標進行運動仿真和建模。然後將跟蹤目標的圖像合成到背景視頻中，該視頻 適當處理后，即可送到虛擬攝像機編程接口輸出，或者显示。

3. 場景和目標描述。為了使得合成的視頻真實自然，不僅要求場景和目標圖片真實，而且 二者之間的融合也非常關鍵。由於在實際的視覺系統中，目標的信息大多來源於從背景圖像中 分割出來的目標區域，因此，在虛擬視覺平台的場景和目標描述中，目標的描述的作用更為重 要，而場景的描述的作用僅僅是輔助的。本文採用人工指定和拼接的方法，得到背景視頻；接 着，採用運動仿真物理引擎計算目標的位置姿態。通過參數控制模塊，能對獲取的視頻進行設 置，比如視點、視角、採集模式（幀率、幅面）等方面的參數設置。視點和視角的控制採用坐 標變換完成。將三維物體在計算機屏幕上显示出來是一個從三維空間到二維平面的投影過程， 經歷以下幾個步驟： ① 調整視點的位置。 ② 模型變換，即對模型進行旋轉、平移和縮放。 ③ 投 影變換，即把三維模型投影到二維屏幕上的過程。 ④ 視窗變換，即規定了屏幕上显示場景的位 置和尺寸。通過上面的幾個步驟，一個三維空間里的物體就可以由相應的二維平面物體表示出 來了，也就能在電腦屏幕上正確显示了，與背景視頻疊加后就能傳遞給視覺系統處理了。 4. 視頻合成。視頻合成實際上就是將背景視頻中的每一幀圖像，在指定區域疊加指定的目 標的圖像的過程。考慮到背景和目標交界區域常常是模糊的，即邊界區域像素值是背景和目標

龍源期刊網 http://www.qikan.com.cn 的一種組合，本文在 VC 環境中按下列方式完成圖像的合成，設 Image_F （ i ， j ）是目標圖像 中的像素， Image_B （ i ， j ）是背景圖像中的像素， Image_O （ i ， j ）是合成圖像中的像素，二 維實數矩陣 A_First （ i ， j ）、 A_Scond （ i ， j ）用於表示像素的比例，相關的算法描述如下：算 法 1 ：目標與背景圖像的合成算法。第 1 步：對於每個像素（ i ， j ）：如果在目標圖像中， A_First （ i ， j ） ←1 ；否則， A_First （ i ， j ） ←0 。第 2 步：對於每個像素（ i ， j ）：設置矩形 R={ （ x ， y ） |i-5 三、視覺虛擬平台的應用

視覺虛擬平台主要用於視覺算法的測試、訓練以及視覺信息處理的研究和教學，特別是在 基於進化計算的機器視覺設計中，為應用程序提供了一個經濟、方便、可控的環境，便於程序 的演化或參數的優化。本文將視覺虛擬平台應用於足球機器人的視覺模塊的設計、測試和教 學。使用過程主要包括下面幾個步驟： ① 視頻數據採集。將足球機器人的視覺模塊在比賽過程 中的採集到得數據存儲、整理。相關的數據包括背景數據和目標數據。 ② 對於背景和目標分別 建模。 ③ 設定參數，利用視覺虛擬平台合成特定的視頻，並生成相關的標註。圖 5 是視頻合成 過程中對參數進行設置的截圖，設置主要包括：背景設置、目標設置、運動軌跡和姿態設置、 視頻頻率和幅面設置、干擾設置等等。 ④ 虛擬相機調用，即程序通過 API 接口，打開、採集、 處理或显示、關閉虛擬相機的過程。圖 6 是調用虛擬相機，獲取視頻並显示、進行機器人小車 識別的截圖。

本文將視覺、智能看成進化計算的結果，提出了通過進化計算實現機器視覺的途徑；本文 利用虛擬現實技術，以相關的媒體為基礎，以視頻的方式模擬了視覺的現實環境，並將運動仿 真物理引擎引入其中，設計了視覺虛擬平台，為機器視覺系統的設計與研究提供了有利條件。 不僅縮短了系統的開發時間，使得相關的算法容易測試且具有可重現性和可比性，而且為機器 視覺的進化計算提供了必要的條件。 參考文獻：

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