如何利用開源軟件開發(fā)機(jī)器人視覺系統(tǒng)

機(jī)器人視覺應(yīng)用程序可以帶來一系列復(fù)雜的需求，但開源庫可以為幾乎所有需求提供解決方案。開發(fā)人員可以找到從基本的圖像處理和對(duì)象識(shí)別再到運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和避免碰撞的開源軟件包 。另外，還有有一些關(guān)鍵的開源圖像處理軟件包，可以幫助開發(fā)人員實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。

在可用的開源軟件包中，OpenCV可能是使用最廣泛、功能最豐富的。OpenCV分發(fā)版實(shí)現(xiàn)了超過2500種算法，通過一系列模塊處理圖像處理需求，其中包括以下內(nèi)容:

core，定義所有其他模塊使用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù);

imgproc，提供圖像處理功能，包括線性和非線性圖像濾波、幾何圖像變換、顏色空間轉(zhuǎn)換、直方圖等;

video，支持運(yùn)動(dòng)估計(jì)，背景減法和對(duì)象跟蹤算法;

calib3d，提供基本幾何算法，攝像機(jī)校準(zhǔn)，物體姿態(tài)估計(jì)等;

features2d，提供特征檢測(cè)器，描述符和描述符匹配;

objdetect，提供對(duì)象和預(yù)定義類實(shí)例的檢測(cè);

OpenCV使用c++編寫，支持c++、Python、Java和Matlab接口，支持Windows、Linux、Android和Mac OS。OpenCV除了支持單指令、多數(shù)據(jù)(SIMD)指令集外，還通過GPU模塊為許多功能提供基于cuda的GPU加速，通過ocl模塊提供OpenCL加速。最近發(fā)布的OpenCV 4.0帶來了許多性能改進(jìn)和功能，包括流行的Kinect融合算法的實(shí)現(xiàn)。

就其功能而言，OpenCV可能需要一個(gè)學(xué)習(xí)過程，這超出了希望使用機(jī)器人視覺快速移動(dòng)的開發(fā)人員的耐心。對(duì)于這些開發(fā)人員，基于python的SimpleCV也可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇。SimpleCV構(gòu)建于OpenCV之上，它提供了高級(jí)機(jī)器人視覺開發(fā)人員所需的功能，但也提供了一個(gè)可訪問的框架，幫助經(jīng)驗(yàn)較少的開發(fā)人員使用簡(jiǎn)單的Python函數(shù)調(diào)用來探索基本的機(jī)器視覺功能。例如，開發(fā)人員可以使用SimpleCV image類中的一個(gè)簡(jiǎn)單內(nèi)置方法(下面清單中的img. binalize())快速實(shí)現(xiàn)常用的函數(shù)，比如圖像閾值化，最后顯示如圖1所示的結(jié)果。

fromSimpleCVimportImage,Color,Display #Makeafunctionthatdoesahalfandhalfimage. defhalfsies(left,right): result=left #croptherightimagetobejusttherightside. crop=right.crop(right.width/2.0,0,right.width/2.0,right.height) #nowpastethecropontheleftimage. result=result.blit(crop,(left.width/2,0)) #returntheresults. returnresult#Loadanimagefromimgur.img=Image('http://i.imgur.com/lfAeZ4n.png') #binarizetheimageusingathresholdof90#andinverttheresults.output=img.binarize(90).invert()#createthesidebysideimage.result=halfsies(img,output)#showtheresultingimage.result.show()#savetheresultstoafile.result.save('juniperbinary.png')

圖1.上面列出的Python代碼的結(jié)果（來源：SimpleCV）

除了基本的圖像處理功能外，OpenCV和SimpleCV還實(shí)現(xiàn)了許多高級(jí)圖像處理算法，機(jī)器人系統(tǒng)需要處理對(duì)象或在物理環(huán)境中安全運(yùn)行。在許多這些計(jì)算中使用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之一是點(diǎn)云 – 表示對(duì)象的多維數(shù)據(jù)點(diǎn)的集合（圖2）。從相機(jī)獲取，對(duì)象的點(diǎn)云用于基本的機(jī)器人操作，例如對(duì)象識(shí)別，對(duì)齊和擬合。對(duì)于使用點(diǎn)云，點(diǎn)云庫（PCL）[源代碼]實(shí)現(xiàn)了過濾，擬合，關(guān)鍵點(diǎn)提取，分割等算法。

圖2.基本環(huán)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)集。