足球机器人视觉系统的颜色空间选择

足 球机器人视 觉系统 的图像处理 中起着决定 性的作用 ，文 中在 分析常 用 的Ｒ Ｇ Ｂ 、Ｈ Ｕ Ｖ 和Ｈ Ｓ Ｉ 三种颜色 空 间特 点 的基础 上 ，通 过实验 对三种颜 色 空间在不 同条
件 下进 行分析 比较 ，最终选取 Ｈ Ｓ Ｉ 作 为足 球机器人视 觉系统 的颜色 空 间，实验结果 证 明该颜色 空间能够 满足机 器人足球 比赛要求 。
机 器 人 技 术 是 一种 比较 前 沿 的 信 息 自动化 技 术 ，可 以 称 得 上 是人 类 进 入 ２ ０ 世 纪最 伟
大的发明。随着计算机和电子技术 的发展，机器人技术开始应用于教育和娱乐行业 ，足球 机器人的应运而生 ，具有很强的观赏性和竞技性 ，成为机器人领域 的一个重要分支。 机器人足球 比赛给相关技术的研 究提供了一个 良好的平 台。在机器人足球比赛 中， 视觉系统作为机器人感知周围环境的一项重要技术手段 ，起到了关键性的作用。视觉系统 主要由图像获取部分 、图像转换部分和图像处理程序三大部分组成。图像处理技术的进步 对诸多领域的发展都有着巨大的推动作用 。而颜色空间又在 图像处理 中起着 决定性的作
Ｙ Ｕ Ｖ 颜 色空 是 为 了解 决 黑 白电 视 与 彩 色 电视 的 兼 容 问 题 而提 出来 的 ．是 为 电视 系统 开发 的 采 用Ｙ Ｕ Ｖ 颜 色 空 的 重 要 性 是 它的亮度信号Ｙ 币 ｕ 色 度信 号 ｕ、￣ ， 是 相 互 独立 的 ． 各分 量之 『 日 Ｊ 相 关性 较小 ．对 于 光线 强度 变化 的干扰 不是 很敏 感 ？如果 只有Ｙ分 量有 数 值 ．而 ｕ、Ｖ 均 为零 ，图像 是 黑 白灰 度 图 ，此 时 电视 机接 收 到 的 是黑 白 图 像 如 果 Ｙ、Ｕ、Ｖ三 个 分 量 都 给 定 一 定 的 数 值 ．此 时 ，电视 机 收 看 到 的 是 彩 色 电视 图像 电视 采 用 Ｙ Ｕ Ｖ 颜 色空 『 Ｈ 】 就 解 决 了彩 色 电视 机 与黑 白 电视 机 的 兼 容 题 在 现 代 彩 色 电视 系统 中 ．通过 摄 像 机 获 取 彩 色 图 像 信 号 ．经过 处理 得 到Ｒ ＧＢ 信 号 ．然 后 再 把 Ｒ Ｇ Ｂ 信 号转 化 为ＹＵ Ｖ 信 号 ．最 后发 射 端 将Ｙ Ｕ Ｖ信 号 的 三 个分 量 分 别进 行 编 码 ．用 Ｈ一 个 信 号 通道 发送
理 中 最基 本 、最 为 常 见 的颜 色 空 间 。如 图 １ 所 示 ，Ｒ Ｇ Ｂ 颜 色 空 间 可 以 用 一 个 立方 体 来 示
意 ，其采用笛卡尔坐标系 ，三条轴分别对应红 、绿 、蓝三分量 ，各分量的取值范围为 ０ — ２ ５ ５ ，为了方便可 以将立方体归一化为
单 位 立 方 体 ，所 有 的 Ｒ、Ｇ、Ｂ 的 值 都 在［ ０ ，１ 】 区 间 内 ， 立 方 体 的 底 部
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牡科 技 ２ Ｏ １ ７ 年・ 第７ 期
通过 上述 分 析 ． １ 分量 与 颜 色 的 Ｈ 和Ｓ 分 量 无 关 ， 敝Ｈ Ｓ Ｉ 颜 色 空 问 中 的 三分 量之 阳 Ｊ 卡 ｝ ｊ 关性 较 小 ＨＳ Ｉ 空 间 比较 直观 并 且符 合 人
如 ２ 所 示直 观地 反映 了彩色信 息在 Ｕ Ｖ 平 而 上 的 分 布
色度信号 的两个分量ｕ 和ｖ构成一个平面直角坐标系 ，每一种颜色对应着坐标系中的一个 点 ，每一个点与坐标原 点构成一个矢量 ，该矢 量的模Ｓ 表示颜色的饱和度 ，表示Ｒ、Ｇ、 Ｂ 三个分量的大小 ；相位 角ｄ表 示色调的大小 ，表示Ｒ、Ｇ、Ｂ 三个分量的相互比例关系 。
其 中模 值 Ｓ 和相 位 角 旺定义 如 式 （ １ ）：
应 着 从 黑 色 到 白色 的灰 度值 变化 ，而
其余 各点与原点构 成的矢量表示不同
的颜 色 。
图１ ＲＧＢ 空 间立 方体
图２ ｕ ｖ平 面矢量 图
通过改变实验 条件得到的测试结果证 明，即使是同一种颜色的光 ，但是如果物体的
属性 不 同 ，在 光 照 强度 、光的 亮度 、光 源的 种类 、物体 的 反射 特性 等 光 源环 境 条件 不 同的 情 况 下 ，采 集 到 的Ｒ Ｇ Ｂ 颜 色 数 值 比较 分 散 ，Ｒ、Ｇ、Ｂ 三个 分量 互 相 关 联 并 互相 变 化 的 波 段 范 围 比较 宽 ，并 且 占据 相 当大 的空 间范 围 ，因此 ，很 难 确定 识 别不 同颜 色 的 阈值 范 围 ，
用。 １颜 色 空间 的建 立
颜 色 空 间也 称 颜 色 空 间 。根 据 三 基 色 学 说 ，某种 颜 色 的 光 都 可 以 用 红 、绿 、蓝 来 表
示 ，任何一种颜色都可以用一组数字来表示 ，即把颜色数字化。所 以颜色空间必须建立一
个 三维 坐标 系 。在 这 个坐 标 系所 构 成 的空 间里 ，任何 一 个点 都 表示 一种 颜 色 。 目前 ，在 足
２ ． ２ＹＵＶ 颜 色空 间
在Ｙ Ｕ Ｖ颜 色空 间 中 ，用分 量 Ｙ 表 示 颜 色 的亮 度 ，Ｕ 和Ｖ 两 个 分 量表 示 颜 色 的色 度 ，其 中ｕ 分 量表 示 蓝 色和 黄 色 的色 差 ，即 ｕ ＝ Ｂ — Ｙ，Ｖ分量 表示 红 色和 黄 色 的色 差 ，￣ Ｉ Ｉ Ｖ ＝ Ｒ — Ｙ。
球机器人视觉系统的图像处理过程 中，目标的识别主要是根据 目标的颜色 ，因此 ，颜色空 间的选取将直接影响图像处理 的效果，目前常用的颜色空间有Ｒ Ｇ Ｂ、Ｈ Ｕ Ｖ 及Ｈ Ｓ Ｉ 。
２常 用的 颜 色空 间
２ ． １ ＲＧＢ颜 色空 间
Ｒ Ｇ Ｂ（ ｒ ｅ ｄ ｇ ｒ ｅ ｅ ｎ ａ ｎ ｄ ｂ ｌ ｕ ｅ） 颜色空间建立在三基色学说基础上 的颜色空间，是图像处
Ｒ ＝ Ｇ ＝ Ｂ ＝ ０ 处 为 黑色 ，顶 部Ｒ ＝ Ｇ＝ Ｂ ＝ ２ ５ ５
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处 为 白 色 。任 何 一 种 颜 色 光 都对 应 着
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空间的一个点 （ 或 向量 ），因此 从原 点到 离原点最远 顶点的对角线上 ，对
该颜色空间不适合光照条件变化较大情况下的图像处理 。在机器人足球比赛中，环境的光 照条件差别很大。如果采用Ｒ Ｇ Ｂ 颜色空 间进行图像处理 ，这样就非常容易把无关 的物体 误 当作 目标处理 ，或者丢失本应该识 别的 目标 ，所以在足球机器人视觉系统 中 ，Ｒ Ｇ Ｂ 颜 色空间不适合作为图像处理的颜色空间。