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研究生:謝凱翔
研究生(外文):Kai-hsiang Hsieh
論文名稱:根基於伺服控制與最佳估測之雲端射擊系統設計
論文名稱(外文):Cloud Shooting System Design Based on Servo Control and Optimal Estimation
指導教授:黃榮興黃榮興引用關係
口試委員:林君明陳孝武黃榮興
口試日期:2014-06-24
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:自動控制工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:52
中文關鍵詞:人臉偵測動態追蹤伺服控制姿態估測雲端射擊
外文關鍵詞:Face DetectionDynamic TrackingServo ControlAttitude EstimationCloud Shooting
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中文摘要
本系統以雙CCD影像伺服與雙軸馬達伺服控制之雲端射擊平台為開發主軸,採用動態影像處理技術達到目標物的偵測與辨識,並持續做追縱動作;論文中以人臉做為追蹤的目標物,著重於人臉的姿態判別以及利用所辨識之特徵點估測出最佳太陽穴的位置及其最佳射擊點、線,定義人臉正面為0度角,以左右轉動90度角之人臉區塊中眼睛的相對位置來估算任何時刻人臉之姿態與旋轉角度,再以左右45度角~90度角之人臉區塊中找尋眼睛、耳朵之像素座標,估測出太陽穴所在區塊和最佳射擊點、線。除了使用影像伺服外迴路路徑追蹤控制外,同時亦使用內迴路雙軸馬達PID伺服控制,驅動伺服馬達以達成移動目標物之搜尋、鎖定與路徑追蹤;而在平台上加裝雷射光發射模組以便在目標物被追蹤鎖定後擊發,透過影像處理技術得知命中精準度和準確性;並且建構雲端射擊監控系統以實現射擊訓練課目之下達與射擊計分之監控。
Abstract
In this research, we design a dual-axis twin-CCD image servo control shooting system as a development and investigation platform. Using dynamic image processing technique to accomplish the following tasks: target detection, recognition, positioning, posturing and tracking incessantly. The main task of this job is to track human face, focus on human head posture discrimination and find out the optimal estimation of temple location and shooting point-line from the human face features. The front view of human face is considered as the view at angle of 0 degree. And then turn left and right 45 degrees to calculate the facial posture and rotation angle based on the relative position of eyes in the human face block, and continue to turn left and right from 45 degrees to 90 degrees to find out the eye and ear pixel positions in the human face block. Using these positions, the temple belonged block and the optimal shooting point-line can be estimated. Besides the outer-loop path-tracking image servo control, we also use the inner-loop PID servo control to derive the two-axis servo motors to handle the job of the dynamic target tracking, including searching, locking, and tracking tasks. The laser shooting module on the firing platform will be shot when the target is locked. Using the image servo control and servo control technique, we can fulfill the requirement of target hitting precision and accuracy. Furthermore, a simple cloud shooting system has been constructed for the shooting training course control and shooting score monitoring.
目錄
誌謝 i
中文摘要 ii
Abstract iii
目錄 iv
圖目錄 vi
表目錄 ix
第一章 序論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 國內外相關研究 3
1.3.1 人臉五官辨識相關研究 3
1.3.2 影像動態追蹤相關研究 4
第二章 系統架構 5
2.1 系統架構 5
2.1.1. 硬體架構 7
2.1.2. 軟體架構 13
2.1.3. 控制器 13
2.2 追瞄系統之架構 17
第三章 人臉特徵點找尋及姿態估算 18
3.1 人臉偵測 18
3.1.1 膚色二值化 18
3.1.2 去除膚色雜訊 19
3.2 特徵點抓取 22
3.2.1 眼睛抓取 22
3.2.2 耳朵抓取 24
3.2.3 模板匹配 25
3.3 姿態判別 26
3.3.1 X方向角度計算 26
3.3.2 Y方向角度計算 28
3.3.3 太陽穴定位 28
3.3.4 最佳射擊點、線 30
第四章 馬達控制與遠端監控 31
4.1 伺服控制 31
4.1.1. 伺服機 31
4.1.2. 影像伺服控制 32
4.2 全向輪運動控制 33
4.3 TCP/IP區網連線 34
第五章 實驗結果驗證 35
5.1 介面設計 35
5.2 實驗結果分析 39
5.2.1. 人臉偵測 39
5.2.2. 各特徵點抓取結果 40
5.2.3. 角度量測 42
5.2.4. 射擊結果 45
5.2.5. 伺服控制 48
第六章 結論與未來展望 49
6.1 結論 49
6.2 未來展望 49
參考文獻 50
圖目錄
圖1.1 主要運作之分層 1
圖2.1系統架構方塊圖 5
圖2.2系統實體迴路示意圖 6
圖2.3立體攝影機之幾何關係圖 7
圖2.4立體攝影機之幾何關係圖 7
圖2.5射擊模組之正視圖 8
圖2.6射擊模組之側視圖 8
圖2.7射擊平台實體圖 9
圖2.8攝影機實體圖 9
圖2.9雷射發射模組 10
圖2.10 S03N3 S D MG 10
圖2.11人頭模型實體圖 11
圖2.12全向輪自走車 12
圖2.13無線藍芽模組BlueSMiRF Gold 13
圖2.14 SSC-32 Layout圖 14
圖2.15 Arduino Mega ADK控制板 16
圖2.16 追瞄系統之架構圖 17
圖3.1(左)原始圖像、(右)膚色二值化後圖像 19
圖3.2結構元素 19
圖3.3 (左)膨脹前影像、(右)膨脹後影像 20
圖3.4 (左)侵蝕前圖像、(右)侵蝕後圖像 20
圖3.5 (左)處理前圖像、(右)侵蝕後圖像 21
圖3.6 (左)侵蝕後圖像、(右)膨脹後圖像 21
圖3.7邊緣特徵 22
圖3.8線特徵 22
圖3.9中心點特徵 22
圖3.10對角線特徵 23
圖3.11 Haar-like特徵判別流程圖 23
圖3.12影像相減的過程 24
圖3.13影像相減後結果 25
圖3.14 模板匹配找出子影像 25
圖3.15人臉X方向角度變化圖 27
圖3.16使用單眼計算人臉角度 28
圖3.17人臉Y方向角度變化圖 28
圖3.18 (左)太陽穴位置圖、(右)分割區塊是意圖 29
圖3.19不同角度下太陽穴抓取結果 29
圖3.20 (左)最佳射擊地入射線、(右)偏離最佳射擊的入射線 30
圖4.1伺服機內部方塊圖 31
圖4.2伺服馬達輸入接頭 31
圖4.3脈波頻寬與伺服馬達角度關係圖 32
圖4.4伺服控制方塊圖 32
圖4.5 全向輪定義座標 33
圖4.6 TCP/IP與OSI關係圖 34
圖5.1 伺服端介面 35
圖5.2客戶端介面 36
圖5.3 伺服端運行介面 36
圖5.5 實驗場景 37
圖5.6量測刻度 38
圖5.7 (左)原始圖像、(右)膚色二值化 39
圖5.8 (左)侵蝕後圖像、(右)膨脹後圖像 39
圖5.9人臉區塊抓取 39
圖5.10 (左)轉動0度角、(右) 轉動負90度角 40
圖5.11 (左) 負50度角時、(右)負90度角時 40
圖5.12 (左) 負50度角時、(右)負90度角時 40
圖5.13左右攝影機模板抓取結果(0度時) 41
圖5.14左右攝影機模板抓取結果(70度時) 41
圖5.15 太陽穴射擊結果-負50度時 45
圖5.16太陽穴射擊結果-負90度時 45
圖5.18人頭前後移動時射擊結果 46
圖5.21未修正追蹤軌跡 48
圖5.22 經由伺服控制的追蹤軌跡 48


表目錄
表2.1 攝影機規格 10
表 2.2 雷射發射模組規格 10
表2.3 S03N3 S D MG之規格資料 11
表2.4全向輪自走車主要規格 12
表2.5 SSC-32元件功能表 14
表2.6 SSC-32指令格式表 15
表2.7 Arduino Mega ADK控制板規格 16
表5.1 X方向正轉動角度 42
表5.2 X方向負轉動角度 43
表5.3 Y方向正負轉動角度 44
參考文獻
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