基于Pixy开发的模块化云台图像跟踪系统

平钰光+钱炳锋+屠强

【摘 要】目前图像跟踪平台，多大基于PC系统，不利于嵌入式移植和小型移动平台设计，而视觉系统的执行机构大多需要做定制化的结构设计，不利于推广实施。本文提出一种基于pixy开源平台，高响应，多物体跟踪的模块化平台，文中分别对该系统的各硬件软件组成部分进行了介绍。

【关键词】Pixy；模块化；卡接式云台

1.Pixy简介

Pixy是一个开源的视觉传感器，该技术的识别速度很快，因为它以颜色为中心，使用色调过滤算法来识别物体，但对物体的色彩饱和度有较高的要求[1]。

这种视觉传感器支持多物体、多色彩的颜色识别，最高支持7种颜色，我们可以告诉它想要的颜色，教它找东西。该系统可以一次性标绘和报道数百个物体的实时地理位置，并且以50Hz的速度完成。如，Pixy每20毫秒就能处理一整幅640×400的图片，也就是说，每20毫秒就能够获得一次有关所侦查物体位置的全面更新。

Pixy支持多种通信方式来报道物体的实时地理位置，如UARTserial，SPI，I2C等，此外还有PC或Mac版PixyMon应用程序，可以用来浏览传感器实时看到的东西。它搭载的图像传感器配合强大的硬件，可以配合PC跟踪、分析多色的数据[2-4]。也可以直插在Arduino控制板上，整合到其他项目中。如，把它安装到机器人上，便可以为机器人增加一副眼睛，为机器人创造了室内导航系统——通过在门口标注颜色代码，Pixy能够识别出入口，并且告诉机器人该如何走。

2.Pixy系统设计

2.1 Pixy“学习”物体

当开始给Pixy供电，Pixy的LED灯会闪几下。等待LED灯灭掉后再继续。用手按住其顶部的按钮，大约等待1秒钟，LED会变亮，先显示白色，然后是红色，再然后是其他颜色，当其显示红色时，松开按钮。

在松开按钮后，LED的颜色就是Pixy摄像头所看到的图像中间部分的颜色。

可以用LED的颜色来判断物体是否在Pixy视角的中心位置。当LED颜色和物体颜色很接近时，点击按键并迅速松开。如果Pixy认为物体有足够的色彩饱和度，LED便会闪烁，即操作完成，此时Pixy现在已经“学会”了所给的物体，并且会追踪具有相同颜色的物体。如果物体的色调不够好，LED不会闪，即Pixy没有学会所给的物体。这时，我们可以换一个色彩饱和度较高的物体。

2.2 Pixy 颜色识别算法分析

（1）三基色原理

根据三基色原理，任意一种色光 F 都可以用不同分量的 R、G、B 三色相加混合而成，即F = r [ R ] + g [ G ] + b [ B ]。

其中，r、g、b 分别为三基色参与混合的系数。当r=g=b=0，即最弱时，混合为黑色光；当r=g=b=k，即最强时，时混合为白色光。更改三个系数的值，就可以得到各种各样的色光。

（2）YUV 色彩空间表示

Y为亮度信号，U、V为色度信号，且Y与U、V是分离的。假如有亮度分量而没有色度信号，那么其表示的图像是黑白灰的图像。

（3）RGB 和 YUV转换方式

Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B

U = -0.147R - 0.289G + 0.436B

V = 0.615R - 0.515G - 0.100B

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

（4）Pixy 算法核心思想

在前面介绍的色彩空间表示中Y 是亮度信号，U、V是色差信号，而Pixy的算法就是不要亮度只要色度，即只需要色彩。所以我们需要去掉色彩，根据下面三个公式：

R = Y + 1.14V

G = Y - 0.39U - 0.58V

B = Y + 2.03U

可以得到 U' = R - G = 1.72V + 0.39V

V' = B - G = 2.42U + 0.58V

C' = R + G + B = 3Y + 0.56V + 1.64U

变化后的U'和V'已经没有 Y 亮度的分量了

因为物体在不同亮度中显示的颜色可能也有差异，所以还得考虑一部分亮度的影响即C'。

所以为了减弱亮度对物体颜色的影响，Pixy会把色彩值放大若干倍后在除以亮度值。这样做就强化了色彩，减轻的亮度值的影响。Pixy就能轻松识别颜色而不會有太大的误差。

（5）pixy与 Arduino通讯

Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，包含硬件和软件。Pixy需要与Arduino进行通讯。

设置Pixy为可以与微控制器进行通讯，且Pixy可以直接与Arduino进行通讯，使Pixy自带的数据线将Pixy连接到Arduino，它会以1Mbits/s的速度发送块信息给Arduino，这意味着Pixy每秒可以发送超过6000个识别的物体或每帧135个被识别的物体（Pixy每秒可以处理50帧画面）。

3.卡接式模块化云台系统

3.1系统构成

卡接式模块化云台系统如图1，包括控制器（1）、智能电机（2）、卡接件一（3）、转接衡梁（4）、卡接件二（5）、从动块（6）、卡接件三（7）。云台是由智能电机通过各卡接件以及从动块和衡量拼接完成，智能电机通过总线方式和控制器连接，控制器对智能电机发出控制指令，实现对云台的控制。通过上述卡接方式，可以快速实现多自由度云台的搭建，为快速定制云台系统提供有效的解决方案。

3.2卡接式模块化的优点

卡接的优势在于避免了螺纹连接，夹紧，粘贴等其他的连接方法。这些卡接结构是采用模具成型的，不需要额外把他们连接起来。卡接结构可以设计成一次性的和多次使用的。

云台是用于安装、固定外部器件的支撑设备，分为固定和电动云台两种。固定云台适用于作用范围不大的情况，其达到最好的工作姿态后只要锁定调整机构即可达到运用效果。而卡接式模块化云台系统（电动云台的一种），可以极大程度得满足多场合快速组件要求，提高工作效率。

通过这种模块化的卡接方式，能够快速有效地实现多自由度云台的快速搭建，减少云台选型或测试的工时损耗。

3.3系统流程

设置Pixy，使其“学会”所给物体并对颜色进行跟踪，流程如图2所示。Pixy与Arduino通讯连接后，在Arduino程序中编写代码，使云台能够根据所识别的颜色对物体进行追踪。

4.结语

本文设计的基于Pixy开发的模块化云台图像跟踪系统采用在机械云台上安装Pixy Cmucam摄像机，利用其可以“学习”所给颜色进行识别的特点，对图像物体进行跟踪。此系统可以同时识别多物体、多颜色，高响应，具有高时效性，可大大缩短项目开发设计，且利于基于视觉的竞赛系统开发。

参考文献：

[1]刘治湘，罗均.基于仿生双目机械云台的图像跟踪技术研究[J].机械工程师，2012，6.

[2]张桂红.基于Pixy Cmucam5图像识别传感器的物品分拣装置[J].电子制作.2016，20.

[3]陈孟臻.三轴WIFI摄像头舵机云台的设计与实现[D].2015，3.

[4]张雁宁.基于STM32和pixy CMUcam5视觉传感器的双控制模式全向车的设计[J].2016，16.

基金项目：

本项目受上海电机学院车辆工程学科建设项目资助，项目编号：16TSXK01；上海市大学生创新计划资助。endprint