基于圖像處理的人體動作識別及追蹤機器人研究

姚玉未

摘 要：在我國科技不斷發展的背景下，大數據技術、人工智能技術、機器技術等都得到了迅速的發展，社會隨之進入了智能化的時代，人與機器人之間交互變得越來越頻繁，機器人逐漸應用到人們的生活中。動作交互是機器人領域最重要也是最直接的交互方式，通過實現人與機器人之間的動作交互，人類不僅能夠更好地對機器人進行控制，還能大大提升控制效率，特別是在一些很復雜的場合，這時智能機器人的作用就大大的體現出來了。文章基于圖像處理技術，以一款智能機器人為例，實現了在復雜情況下機器人追蹤并模仿人類的過程。

關鍵詞：圖像處理；人體動作識別；追蹤機器人

0 引言

我國科技在不斷進步，智能化的設備已經廣泛應用到人們生活當中，一些較為老舊的科技工具已經無法滿足于需求，因此人們更迫切的希望能夠應用更加便捷和直觀的交互方式。人與機器人交互的主要目的在于完善彼此間的交互方式，不僅能夠讓人類更好的使用機器人，還能夠讓機器人更好地了解人類的需求，實現基本的信息輸出工作。隨著我國圖像處理技術的廣泛應用，在很大程度上提升了人們的工作效率。此后，人們又提出了動作交互技術的概念，隨著此技術的不斷發展，圖像處理技術也開始應用于機器人領域。機器人自此能夠追蹤并模仿人類的動作，并能夠在一些危險的場合代替人類去完成必要的工作，這樣能夠更好地減小對人類生命安全的威脅。

1 我國動作交互機器人發展的現狀

我國交互機器人雖然發展的較晚，但是發展速度卻是相當的快。從1980年初開始，我國政府就開始在科技方面規劃發展，在此時期交互機器人才算是真正在我國開始起步發展。到了2010年，我國交互機器人產業發展逐漸擴大，并慢慢涵蓋了生產行業、銷售行業等領域。我國國內的科技企業也開始全面重視起對科技的應用，開始全面引進新的技術。近年來，我國逐漸擴大了對科技的資源供給，通過不斷的生產、研究和應用，在交互機器人產業發展領域有了很大的進步。到2016年，我國第一臺交互機器人被研發誕生，這臺交互機器人能夠有效識別人類的面部表情，并通過此做出相應的微表情，除此之外還能夠做出與人類相似的肢體功能，模仿能力相當的強[1]。雖然說我國動作交互機器人行業發展的較好，但是與國外發達國家相比較，在市場份額和技術領域等方面，我國仍然沒有太大的優勢。這是由于機器人產業本身就具備一定的復雜性，且我國在此領域發展的較晚。如今我國動作交互機器人主要存在以下問題。

（1）交互簡單。由于交互機器人的程序已經被設置好，因此機器人只能夠做出已經設定好程序的幾個動作，超過這幾個動作范圍后，則無法正確進行識別。（2）功能局限。因為交互機器人的制作工藝比較特殊，導致其自身結構較為簡單，無法做出和人類相似的復雜動作，因此導致在多數情況下無法應用。（3）識別率差。在一些特定的環境下，比如背景復雜、光線暗淡等，都會影響到交互機器人采集圖像的清晰度，因此會對識別的結果造成較大的影響。（4）應用范圍不廣。由于大部分交互機器人是通過數據線來傳播數據的，在復雜的環境下，若是不存在有線的環境，則會影響到交互機器人的使用。

2 圖像處理在人體動作識別中的應用

2.1 圖像檢測

在搭建好交互機器人開發環境后，下一步則需要對人體的動作進行檢測，這樣一來才能實現機器人的后續處理。通過檢測人體的各個關節點，實現對人體骨骼的記錄追蹤，并對相應的圖像進行采集。由于在實際采集的過程中，圖像的結果會受到光照強度、彩色圖像、背景顏色等影響，因此可能會對檢測結果造成一定的影響。為了減小影響，采用圖像處理技術，全面處理采集到的圖像，最終將彩色的圖像轉化成為黑白圖像，減小了在采集圖像過程中會受到背景、光照等因素的影響[2]。采用圖像處理技術對整個圖像檢測有一個具體的流程，即將采集到的彩色圖像進行依次的處理，主要包括平滑濾波、灰度化、邊緣檢測、形態學變換等，這樣一來不僅避免了噪音對圖像的影響，還減小了背景和光照的影響。因此能夠有效收集到高質量的處理圖像，隨后繪制清晰的人體骨骼圖像。

2.2 圖像處理

2.2.1 平滑濾波

在計算機圖像處理過程中，圖像平滑有著廣泛的應用，在形成圖像、接收圖像、傳輸圖像以及處理圖像的過程中不可避免地會受到一定的影響。如，在圖像傳輸過程中，會受到外界因素以及人為因素的影響，從而影響到圖像的質量，給交互機器人分析圖像帶來困難。因此在處理圖像的過程中須除這些因素的影響，才能夠得到高質量的圖像。在圖像處理過程中平滑濾波主要有三種濾波方式：（1）均值濾波。均值濾波只能將噪聲減弱，并不能夠徹底消除噪聲，但是操作會比較簡單[3]。（2）中值濾波。中值濾波對于去除噪聲有較好的效果，并且能夠有效保護圖像信息的完整性。（3）高斯濾波。高斯濾波能夠有效處理正態分布的噪聲，且能夠保留好圖像分布的特點。

2.2.2 灰度化

灰度化主要是指將圖像進行黑白色處理，在進行處理之后，圖像顏色將只保留有用的灰色信息。如今交互機器人所采集到的圖像都是彩色圖像，彩色圖像中有大量的信息，在實際處理過程中因為較難處理，不僅會影響到圖像處理的質量和速度，還會對圖像分析造成影響，因此經常會用交互機器人來灰度化處理圖像。

2.2.3 形態學變換

圖像形態學處理方法常常用來處理二值化后的圖像，也就是對圖像進行進一步的改善，通過處理從圖像中提取出來的區域，能夠更加清晰的觀察到圖像，詳細的會觀察到圖像的分支、孔洞、崎嶇等。圖像形態學處理方法主要包括：閉運算法、開運算法、腐蝕操作法、膨脹操作法等。

3 追蹤機器人的結構設計

3.1 自由度及3D打印材料的選擇

3.1.1 確定自由度

交互機器人的肩關節、胯關節是比較重要和特殊的關節，設計好之后能夠讓交互機器人進行上下的擺動和左右的擺動，因此在實際設計過程中更要為這兩個關節設置好自由度，并且分別安裝上控制其移動的舵機。交互機器人的頭部設計一個自由度，每個上肢設計四個自由度（一個上下擺動的肩關節自由度、一個左右擺動的肩關節自由度、一個肘關節自由度、一個手臂關節自由度），每條腿設計四個自由度（上下擺動和左右擺動的胯關節分別有一個自由度，一個膝關節自由度、一個踝關節自由度）。

3.1.2 選擇3D打印材料

設計出的交互機器人的各種零件均是由3D打印機打印出來的，考慮到機器人設計中所要求的環保性，可選擇聚乳酸作為交互機器人的3D打印材料。聚乳酸作為一種新型的環保材料，主要是由木薯、玉米等淀粉制作而成的。在特定的條件下，可被自然中的微生物給降解掉，環保性良好，是對環境較為友好的新型材料。

3.2 零件設計

3.2.1 設計舵機連接件

舵機連接件是交互機器人整個結構設計中會應用到最多的零件，其關系到交互機器人性能和設計的協調性和穩定性。由于舵機連接件主要與舵機相連，因此在設計連接件時，需要充分考慮到交互機器人舵機的大小。

3.2.2 設計手臂和腿部關節

在完成舵機連接件的設計之后，接下來需要完成交互機器人手臂零件和腿部零件的設計。由于關節零件的位置主要是由舵機的位置來確定的，因此在設計各個零件時，一定要留出一定的空間，這樣一來才能夠促進交互機器人更好的運動。

3.2.3 設計身體和其他零件

在設計完成交互機器人的手臂關節和腿部關節之后，還需要設計好身體的其他部位零件，要全面考慮到交互機器人整體的穩定性。在設計過程中，可以適當地設計大一點的腳掌，這樣能夠加大機器人與地面的接觸面積，提高機器人的穩定性[8]。

總的來說，智能機器人很好地結合了“交互”“動作識別”“圖像處理”等技術，在技術操作的實際過程中方便靈活，不需要提前設置好復雜的程序代碼，社會應用價值較高，適合多個場合進行應用。但機器人在實際使用中還是存在一些需完善的地方，比如數據傳輸、結構穩定性等。相信在未來科技不斷發展下，智能交互機器人將會更好的投入到社會使用中，對人們產生更深遠的影響。

[參考文獻]

[1]柴琳.基于立體視覺的人體動作識別方法研究[D].青島：中國海洋大學，2015：67-68.

[2]張穎.基于計算機視覺的人體動作識別研究[D].北京：華北電力大學，2018.

[3]劉翔宇，楊越佳，胡令昊，等.基于視覺的體感交互人體動作識別系統研究[J].電腦知識與技術，2018（1）：193-194，196.

（編輯 姚 鑫）

Research on human action recognition and tracking robot based on image processing

Yao Yuwei

（Guangdong Vocational and Technical University， Zhaoqing 526020， China）

Abstract：Under the background of the continuous development of science and technology in China， Big Data technology， artificial intelligence technology， machine technology and so on have been developed rapidly， and we have entered the era of intelligence， and the interaction between human and robot has become more and more frequent， and robots have been gradually applied to our lives. Action interaction is the most important and direct way of interaction in the field of robot. By realizing the action interaction between human and robot， human beings can better control the robot and greatly improve the efficiency of control. Especially in some very complex situations， the role of intelligent robots is greatly reflected. Based on image processing technology， this paper takes an intelligent robot as an example to realize the process of robot tracking and imitating human beings in complex situations.

Key words：image processing；human action recognition；tracking robot