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1、第第4章章 机器人感觉信机器人感觉信息的处理息的处理本讲稿第一页，共十九页4.1 传感器与计算机的接口设计传感器与计算机的接口设计(Interface Design of Sensor and Computer)输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。输入到计算机的信息必须是计算机能够处理的数字量信息。本讲稿第二页，共十九页传感器的输出形式传感器的输出形式传感器的输出形式传感器的输出形式 数字量：二进制代码、数字量：二进制代码、数字量：二进制代码、数字量：二进制代码、BCDBCD
2、、脉、脉、脉、脉 (Digital)(Digital)冲序列等冲序列等冲序列等冲序列等 模拟量：经过信号放大、采样、保模拟量：经过信号放大、采样、保模拟量：经过信号放大、采样、保模拟量：经过信号放大、采样、保 (Analog)(Analog)持、模拟多路开关、持、模拟多路开关、持、模拟多路开关、持、模拟多路开关、A/D A/D 转换，通过转换，通过转换，通过转换，通过I/O I/O 接口输人接口输人接口输人接口输人 计算机。计算机。计算机。计算机。本讲稿第三页，共十九页一、输入放大器一、输入放大器(Input Amplifier)(Input Amplifier)对不同幅值信号进行幅值交换，对
3、于超过限额的电对不同幅值信号进行幅值交换，对于超过限额的电对不同幅值信号进行幅值交换，对于超过限额的电对不同幅值信号进行幅值交换，对于超过限额的电 压加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响压加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响压加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响压加以衰减，对于太小的幅值，则加以放大，避免影响 采样精度。采样精度。采样精度。采样精度。本讲稿第四页，共十九页二、二、V/IV/I、I/VI/V转换电路转换电路(V/I and I/VTransform Circuit)(V/I and I/VTransform Circuit)010V:010V:便于与
4、便于与便于与便于与A/DA/D转换器接口转换器接口转换器接口转换器接口 410mA(420mA):410mA(420mA):差动流量变送器、温度变送器、压力变差动流量变送器、温度变送器、压力变差动流量变送器、温度变送器、压力变差动流量变送器、温度变送器、压力变 送器等送器等送器等送器等 当转换器输出信号需要远距离传输时，必须变成电流信号当转换器输出信号需要远距离传输时，必须变成电流信号当转换器输出信号需要远距离传输时，必须变成电流信号当转换器输出信号需要远距离传输时，必须变成电流信号本讲稿第五页，共十九页三、采样三、采样三、采样三、采样/保持电路保持电路保持电路保持电路 如果直接将模拟量送入如
5、果直接将模拟量送入如果直接将模拟量送入如果直接将模拟量送入A/DA/D转换器进行转换，则应考虑到任何一种转换器进行转换，则应考虑到任何一种转换器进行转换，则应考虑到任何一种转换器进行转换，则应考虑到任何一种A A D D 转换器都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如转换器都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如转换器都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如转换器都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如 果摸拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并果摸拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中
6、，几个并果摸拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并果摸拟量产生变化，将直接影响转换精度。特别是在同步系统中，几个并 联的参量均需取自同一瞬时，而各参数的联的参量均需取自同一瞬时，而各参数的联的参量均需取自同一瞬时，而各参数的联的参量均需取自同一瞬时，而各参数的A/D A/D 转换又共享一个芯片，所转换又共享一个芯片，所转换又共享一个芯片，所转换又共享一个芯片，所 得到的几个里就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输人得到的几个里就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输人得到的几个里就不是同一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输人得到的几个里就不是同
7、一时刻的值，无法进行计算和比较。所以要求输人 到到到到A/DA/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求 A/DA/D转换器的输入信号能够跟随摸拟量变化，能够完成上述任务的器件称转换器的输入信号能够跟随摸拟量变化，能够完成上述任务的器件称转换器的输入信号能够跟随摸拟量变化，能够完成上述任务的器件称转换器的输入信号能够跟随摸拟量变化，能够完成上述任务的器件称 做采样做采样做采样做采样/保持器（保持器（保持
8、器（保持器（Sample/HoleSample/Hole）S/HS/H的两种工作方式的两种工作方式的两种工作方式的两种工作方式 ：采样、保持：采样、保持：采样、保持：采样、保持 本讲稿第六页，共十九页四、模拟多路开关四、模拟多路开关 模拟多路开关的作用是分别或依次把各传感器输出的模拟量模拟多路开关的作用是分别或依次把各传感器输出的模拟量 与与A/DA/D接通，以便进行接通，以便进行A/DA/D转换。转换。多路开关是用来切换模拟电压信号的关键器件，为了提高参多路开关是用来切换模拟电压信号的关键器件，为了提高参 数的测量精度，对其要求是：数的测量精度，对其要求是：输入输出多通道输入输出多通道 控制
9、输入端控制输入端(包括禁止输入端包括禁止输入端)n 导通电阻小导通电阻小;n n 开路电阻开路电阻 大大;n n 交叉干扰小交叉干扰小;n n 速度快。速度快。本讲稿第七页，共十九页4.2 机器人图像处理机器人图像处理 (Image Processing)一、预处理一、预处理一、预处理一、预处理(Preprocessing)(Preprocessing)预处理是图像处理的第一阶段。除去输入图像中所含的噪预处理是图像处理的第一阶段。除去输入图像中所含的噪预处理是图像处理的第一阶段。除去输入图像中所含的噪预处理是图像处理的第一阶段。除去输入图像中所含的噪 声或畸变，并变换成易于观察的图像。声或畸变
10、，并变换成易于观察的图像。声或畸变，并变换成易于观察的图像。声或畸变，并变换成易于观察的图像。图像由网格状配置的具有灰度信息的像素组成，灰度信息图像由网格状配置的具有灰度信息的像素组成，灰度信息图像由网格状配置的具有灰度信息的像素组成，灰度信息图像由网格状配置的具有灰度信息的像素组成，灰度信息 用明亮度或灰度表示。用明亮度或灰度表示。用明亮度或灰度表示。用明亮度或灰度表示。本讲稿第八页，共十九页二值处理：黑白图像二值处理：黑白图像二值处理：黑白图像二值处理：黑白图像(二值图像二值图像二值图像二值图像)为了使图像中的对象物体从背景中分离出来。为了使图像中的对象物体从背景中分离出来。为了使图像中的
11、对象物体从背景中分离出来。为了使图像中的对象物体从背景中分离出来。最一般方法：规定某一阈值，像素的灰度值大于最一般方法：规定某一阈值，像素的灰度值大于最一般方法：规定某一阈值，像素的灰度值大于最一般方法：规定某一阈值，像素的灰度值大于 阈值时交换为阈值时交换为阈值时交换为阈值时交换为1(1(黑黑黑黑)，小于阈值时交，小于阈值时交，小于阈值时交，小于阈值时交 换为换为换为换为0(0(白白白白)。动态阈值法：对各部分用不同的阈值进行二值化动态阈值法：对各部分用不同的阈值进行二值化动态阈值法：对各部分用不同的阈值进行二值化动态阈值法：对各部分用不同的阈值进行二值化 滤波滤波滤波滤波空间平均：可以减小
12、与信号没有想关的叠加性空间平均：可以减小与信号没有想关的叠加性空间平均：可以减小与信号没有想关的叠加性空间平均：可以减小与信号没有想关的叠加性 随机噪声的功率。随机噪声的功率。随机噪声的功率。随机噪声的功率。本讲稿第九页，共十九页方法：是用平滑滤波器对周围方法：是用平滑滤波器对周围nn 领域内像素领域内像素 取平均值以抑制取平均值以抑制 噪声的影响。但是平滑噪声的影响。但是平滑 过程使图像也变模糊了。尤其是由于边过程使图像也变模糊了。尤其是由于边 缘的模糊化产生了缘的模糊化产生了缘的模糊化产生了缘的模糊化产生了 图像品质下降的问图像品质下降的问 题。题。本讲稿第十页，共十九页二、特征提取 边缘
13、：灰度变化大的部分，是区分对象物与背景的边边缘：灰度变化大的部分，是区分对象物与背景的边 界，是识别物体的形状或理解三维图像的重要界，是识别物体的形状或理解三维图像的重要 信息。要抽取边缘，需对图像进行空间微分运算。信息。要抽取边缘，需对图像进行空间微分运算。边缘亮度：边缘亮度：L L =D Dx x ,D,Dy y分别是分别是x x微分和微分和y y微分微分本讲稿第十一页，共十九页分割：将图像按其灰度、分割：将图像按其灰度、颜色、纹理等分颜色、纹理等分 割成均匀的区域割成均匀的区域本讲稿第十二页，共十九页 链码：图形轮廓能够用链码表示，即逐个像素追踪。链码：图形轮廓能够用链码表示，即逐个像素
14、追踪。链码：图形轮廓能够用链码表示，即逐个像素追踪。链码：图形轮廓能够用链码表示，即逐个像素追踪。进行一阶微分，得到相当于曲率的量，对此进行一阶微分，得到相当于曲率的量，对此进行一阶微分，得到相当于曲率的量，对此进行一阶微分，得到相当于曲率的量，对此 再在标度空间进行解析，就能抽取出图形特征部分再在标度空间进行解析，就能抽取出图形特征部分再在标度空间进行解析，就能抽取出图形特征部分再在标度空间进行解析，就能抽取出图形特征部分本讲稿第十三页，共十九页三、匹配和识别三、匹配和识别 方法方法方法方法 将图像原封不动地进行比较将图像原封不动地进行比较将图像原封不动地进行比较将图像原封不动地进行比较 首
15、先描述图像中对象物的特征，再在特征空首先描述图像中对象物的特征，再在特征空首先描述图像中对象物的特征，再在特征空首先描述图像中对象物的特征，再在特征空 间中进行比较间中进行比较间中进行比较间中进行比较 差值绝对值之和：差值绝对值之和：差值绝对值之和：差值绝对值之和：本讲稿第十四页，共十九页四、三维视觉的分析四、三维视觉的分析 主动传感器：主动传感器：主动传感器：主动传感器：(人和大多数动物人和大多数动物人和大多数动物人和大多数动物)装置复杂，但能可靠地测装置复杂，但能可靠地测装置复杂，但能可靠地测装置复杂，但能可靠地测 得三维信息得三维信息得三维信息得三维信息 被动传感器：被动传感器：被动传感
16、器：被动传感器：(蝙蝠蝙蝠蝙蝠蝙蝠)处理复杂，但结构简单，能在一般环处理复杂，但结构简单，能在一般环处理复杂，但结构简单，能在一般环处理复杂，但结构简单，能在一般环 境中检测境中检测境中检测境中检测本讲稿第十五页，共十九页1 1、单目视觉、单目视觉、单目视觉、单目视觉 如果已知对象的形状和性质，或作某些假定，便能够从图如果已知对象的形状和性质，或作某些假定，便能够从图如果已知对象的形状和性质，或作某些假定，便能够从图如果已知对象的形状和性质，或作某些假定，便能够从图 像的二维特征推导出三维信息。像的二维特征推导出三维信息。像的二维特征推导出三维信息。像的二维特征推导出三维信息。2 2、双目视觉
17、、双目视觉、双目视觉、双目视觉 三角测量原理三角测量原理三角测量原理三角测量原理 距离距离距离距离 z z=2af/d2af/d本讲稿第十六页，共十九页4.3 机器人的语音识别机器人的语音识别(Voice Recognition)一、语音合成一、语音合成 1 1、语音对话系统、语音对话系统、语音对话系统、语音对话系统 2 2、语音合成方式、语音合成方式、语音合成方式、语音合成方式 语音合成指通过机械设备用人工方法制造语音。语音合成指通过机械设备用人工方法制造语音。语音合成指通过机械设备用人工方法制造语音。语音合成指通过机械设备用人工方法制造语音。录音编辑方式：预先将人发出的语音以电信号的形录音
18、编辑方式：预先将人发出的语音以电信号的形录音编辑方式：预先将人发出的语音以电信号的形录音编辑方式：预先将人发出的语音以电信号的形 式记录下来。式记录下来。式记录下来。式记录下来。分析合成方式：抽取主要的音源特征和频谱包络特性。分析合成方式：抽取主要的音源特征和频谱包络特性。分析合成方式：抽取主要的音源特征和频谱包络特性。分析合成方式：抽取主要的音源特征和频谱包络特性。规则合成方式：不是把人发出的声音作为语音素材进规则合成方式：不是把人发出的声音作为语音素材进规则合成方式：不是把人发出的声音作为语音素材进规则合成方式：不是把人发出的声音作为语音素材进 行处理，而是用某种符号序列。行处理，而是用某种符号序列。行处理，而是用某种符号序列。行处理，而是用某种符号序列。本讲稿第十七页，共十九页二、语音识别二、语音识别二、语音识别二、语音识别本讲稿第十八页，共十九页 第5章 结 束本讲稿第十九页，共十九页