物体轮廓特征提取及绘制系统开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

写生机器人是近年来国外艺术与计算机图形学结合的一个冷门分支。人们认为油画作品的精髓在于作者的感受、修为和价值观等意识形态的表达，过去的油画画家们拘泥于用手对事物的轮廓、层次进行描摹和创造，如今随着科技的发展，绘画的载体得到极大的拓展，那么使用机器人或者机械手臂对物体轮廓和层次进行描绘和创造是对艺术机器人的又一次探索和创新，对于计算机图形学的发展、人类艺术审美的演变具有重要意义。

自二十世纪初以来，机械机器作为主体、客体、隐喻或唤起物进入了艺术世界，如picabia、duchamps、ernst等人的作品^[4];然而，自从tinguely^[5]的发明以来，其他类型的机器出现在了的艺术景观中。这些机械机器的存在更多的是为了从事它们的艺术性的任务，比如进行艺术性的行动和互动，而不是作为被描绘的对象，它们拉开了现代机器人进入艺术实践的序幕。

如今，大多数机器人研究都是实用的奴隶型机器人，比如上世纪70年代以来用于制造业的工业机器人。在不久的将来，这些机器人可能会成为士兵、清洁工、建筑工、园丁、司机甚至外科医生的替代者。当然，也有一些机器人成为特定智慧型机器人，如deepmind公司研制的alphago和波士顿动力公司的机械狗spot。相比之下，艺术家发明的机器人通常一点也不实用。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容和目标

研究的基本内容：写生机器人的本质是一个物体轮廓特征提取及绘制系统。本系统设计的目的就是通过摄像头获得事物的图像，然后经过PC机上的获取图像ROI、二值化、建立轮廓树、道格拉斯-普克等算法得到事物的拟合边界，再经过图像坐标差到步进值、旋转角的转化算法，利用STM32F103C8T6工控板驱动控制两个步进电机和一个光驱步进电机，实现机械臂的移动和对物体轮廓的近似描绘。软件部分主要有图像特征提取算法、直线绘制算法和驱动控制算法三部分组成，硬件由摄像头、单片机、机械臂和PC机组成。

研究目标：本系统设计的最终目标是实现在二维坐标纸上对物体轮廓的近似绘制。

2.2 拟采用的技术方案

1）轮廓树

轮廓树用来描述某个特定轮廓的内部特征。轮廓树跟轮廓是一一对应的关系。轮廓树的创建过程：从一个轮廓创建一个轮廓树是从底端（叶子节点）到顶端（根节点）的。首先搜索三角形突出或者凹陷的形状的周边（轮廓上的每一个点都不是完全和它的相邻点共线的）每个这样的三角形被一条线段代替，这条线段通过连接非相邻点的两点得到；因此实际上三角形或者被削平或者被填满。每个这样的替换都把轮廓的顶点减少，并且给轮廓树创建一个新节点。如果这样的一个三角形的两侧有原始边，那么她就是得到的轮廓树的叶子；如果一侧已是一个三角形，那么它就是那个三角形的父节点。这个过程的迭代最终把物体的外形简称一个四边形，这个四边形也被剖开；得到的两个三角形是根节点的两个子节点。在OpenCV中使用cv::findContours()函数提取物体轮廓。

2）道格拉斯-普克算法

道格拉斯-普克算法是乌尔斯·拉默于1972年以及大卫·道格拉斯和托马斯·普克于1973年提出，并在之后的数十年中由其他学者予以完善的一种多边形逼近算法。在本设计中，道格拉斯-普克算法用于物体轮廓的多边形逼近，简化物体轮廓特征提取中出现的不规则边缘、降低计算复杂度、加快运算效率。该算法的功能是将曲线近似表示为一系列点，并减少点的数量。它的优点是具有平移和旋转不变性，给定曲线与阈值后，抽样结果一定。主要步骤为：

①连接曲线首尾两点A、B形成一条直线AB；

②计算曲线上离该直线段距离最大的点C，计算其与AB的距离d；

③比较该距离与预先给定的阈值threshold的大小，如果小于threshold，则以该直线作为曲线的近似，该段曲线处理完毕。

④如果距离大于阈值，则用点C将曲线分为两段AC和BC，并分别对两段曲线进行步骤①~③的处理。

⑤当所有曲线都处理完毕后，依次连接各个分割点形成折线，作为原曲线的近似。

3）机械臂3D建模

从本设计的全局看，支撑物体轮廓特征提取及绘制系统的核心硬件机构是机械臂，机械臂的鲁棒性、灵活性、科学性和自由度直接影响到最终轮廓描绘效果，所以机械臂的3D建模是本次设计的重要组成部分。此次机械臂设计我参考了日本山梨大学牧野洋发明的SCARA机器人。SCARA系统有四个轴和四个自由度，SCARA系统在X、Y方向上具有顺从性，而在Z轴方向具有良好的刚度，此特性特别适合于装配工作，例如将一个圆头针插入一个圆孔，故SCARA系统首先大量用于装配印刷电路板和电子零部件；SCARA的另一个特点是其串接的两杆结构，类似人的手臂，可以伸进有限空间中作业然后收回，适合于搬动和取放物件，如集成电路板等。三菱公司设计制造的SCARA机械臂如右图1所示：

那么本次设计的机械臂核心结构与SCARA系统完全一致，由两个42步进电机和位于臂末端直立的光驱步进电机驱动系统在X、Y、Z三轴上运动，模拟人类手臂在绘画时的基本动作，完成对物体轮廓特征的近似描绘。机械臂的3D建模示意图如图2：

4）整体方案设计

本设计的整体方案流程图如图3所示，处理步骤是：

① 利用摄像头拍摄物体图片回传PC端；

② 利用OpenCV库进行图像处理；

③ 将OpenCV处理结果（绘制算法输出值）储存至STM32控制程序的待输入接口中，利用Keil5将数据转化为电机控制的具体算法和结果；

④ 利用通用异步收发（UART）将控制程序下载至STM32中；

⑤ 由STM32F103V8T6工控板产生电机控制信号；

⑥ 由电机驱动机械臂完成特定物体轮廓的近似描绘。

从整个系统来看，软件算法部分是完成所有工作的灵魂，所以对于第

二步的OpenCV处理还需要进一步说明和解释，如图4所示图像处理的主要工作步骤：

由图4可以看出，在PC端进行图像处理的步骤是整个设计目标实现的关键，唯有经历上述一系列的图像处理步骤才能顺利将图像的像素坐标提取出来，为直线绘制算法和电机驱动控制提供数据基础。

3. 研究计划与安排

（1）第1－4周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。

（2）第5－6周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉相关工具软件的使用。

（3）第7－9周： 改进和设计图像轮廓征提取算法、直线绘制算法和机械臂驱动控制算法。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] han jong goo, park tae hee, moon yong ho. quantization-based markovfeature extraction method for image splicing detection[j]. machine vision andapplications, 2018, 29(3): 522-543.

[2] norouzi mohsen, akbarizadeh gholamreza, eftekhar fariba. a hybridfeature extraction method for sar image registration[j]. signal, image andvideo processing, 2018,12(8):1559-1566.

[3]安德里安·凯勒，加里·布拉德斯基.学习opencv3[m](中文版).北京：清华大学出版社，2018年7月.