摘 要

机器视觉技术主要是采用相机实现对于外在物体或环境的测量，该技术逐渐在工业中应用广泛。为了进一步促进视觉测量系统的应用与研究，在保证测量精度的同时，进一步降低视觉测量系统的成本便成为十分重要的任务。

随着视觉测量技术朝着低成本、高精度的方向不断发展，由于Wiimote内置有高分辨率的红外COMS摄像头和告诉蓝牙模块使得Wiimote可以作为一种新的视觉传感器和图像处理模块应用于视觉测量领域，实现空间中红外LED灯的实时测量。Wiimote（或类似产品）的使用中，数据检测到数据有效的传输给上位机的时间尤其重要。直接影响到该类产品的使用范围。

本文主要对于基于Wiimote的视觉测量系统中传输实时性分析进行了研究，本论文完成的工作和研究主要包括以下几个方面：

1. 借助MATLAB创建一个GUI操作界面，并且编制了将Wiimote数据检测和数据有效的传输给上位机的时间收集的相关程序。
2. 建立了不同环境与Wiimote实时性传输之间的关系。对于一些的有限的条件下的数据传输实时性分析，并且进行了比较，所得结果对于该类产品的效率、稳定性等等具有重要的参考意义。

关键词：机器视觉技术；Wiimote；传输实时性分析

Abstract

Machine vision technology mainly uses cameras to measure external objects or environments. This technology is gradually used in the industry. In order to further promote the application and research of the vision measurement system, it is an important task to further reduce the cost of the vision measurement system while ensuring the measurement accuracy.

With the development of vision measurement technology in the direction of low cost and high precision, Wiimote can be used as a new vision sensor and image processing module for visual measurement due to Wiimote's built-in high-resolution infrared COMS camera and Bluetooth module. Fields to achieve real-time measurement of space-infrared LED lights. In the use of Wiimote (or similar products), it is particularly important that the data detects the effective transmission of data to the host computer. Directly affect the scope of use of this type of product.

This article mainly studies the analysis of real-time transmission in Wiimote-based vision measurement systems.This thesis completed tasks and responsibilities includes the following aspects:

1. I created a GUI operation interface with mathematics software MATLAB.In addition, related procedures have been developed to collect Wiimote data detection and data transmission to the host computer.
2. Established relationships between different environments and Wiimote real-time transmission.For some real-time analysis of data transmission under limited conditions, and compared, the results obtained have important reference significance for the efficiency, stability, etc. of such products.

Key Words：Machine vision technology；Wiimote；Transmission real-time analysis

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景与意义 1

1.2 论文的主要研究内容 2

第2章 系统需求 3

2.1需求分析 3

2.2总体设计方案 3

第3章 Wiimote的实时性表示及评估 4

3.1 Wiimote功能介绍 4

3.1.1 外观 4

3.1.2 原理 4

3.1.3 应用及发展 5

3.2 Wiimote的实时性表示 5

3.3 Wiimote传输实时性评估 6

第4章 相关软件的设计 8

4.1 PCB电路板中的软件设计 8

4.2 Matlab中的界面的设计 9

4.2.1 系统相关平台介绍 9

4.2.2 Wiimote传输实时性分析系统介绍 10

第5章 基于Wiimote传输实时性分析实验 14

5.1 系统相关硬件 14

5.1.1 Wiimote相关技术参数 14

5.1.2 辅助装置——PCB电路板 15

5.2 基于Wiimote传输实时性分析实验 16

5.2.1 相同距离两台Wiimote的实时性分析 16

5.2.2 不同距离两台Wiimote的实时性分析 18

5.2.3 一定阻碍条件下Wiimote的实时性分析 19

第6章 总结和展望 21

6.1 总结 21

6.2 展望 21

参考文献 22

附件 PCB板红外LED灯点亮程序 23

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 课题背景与意义

机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，但并不仅仅是人眼的简单延伸，更重要的是具有人脑的一部分功能一一从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。一个典型的工业机器视觉应用系统，包括数字图像处理技术、机械工程技术、控制技术、光源照明技术、光学成像技术、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术、人机接口技术等。机器视觉技术，是一门涉及人工智能、神经生物学、心理物理学、计算机科学、图像处理、模式识别等诸多领域的交叉学科。机器视觉主要用计算机来模拟人的视觉功能，从客观事物的图像中提取信息，进行处理并加以理解，最终用于实际检测、测量和控制。机器视觉技术最大的特点是速度快、信息量大、功能多。

采用机器视觉测量技术来完成一定范围内实时定位具有定位精度高、实时性好、自动化程度高等优点^[1]。随着实时定位技术在科研、生产和日常生活中得到了越来越多的广泛应用，实时定位技术成为当前人们的信息技术研究领域之一，收到学术界的广泛重视。近年来实时定位技术在人们的日常生活和工业生产中都得到了广泛的应用且其应用的广度和深度都在不断扩大，比如其在灾难现场中的应用可以提高解救被困人员的效率；其在工业生产以及仓储中的应用可以提高生产与仓储存取的效率，提高其自动化水平^[2]，等等。

目前无线实时定位技术的实现方法多种多样，比如射频识别定位技术、红外定位技术、无线局域网定位技术和基于机器视觉测量方法的实时定位技术等众多技术。各种定位技术在实现方式、定位精度、有效使用范围等方面千差万别，其中基于视觉测量系统的实时定位技术具有定位精度高、自动化程度高、实时性好等优点，在高端装备制造以及精密检测等领域得到了广泛的应用^[3]。

视觉测量技术是利用机器视觉技术分析处理视觉测量系统中摄像机采集到的图像并从中多去物体三维几何信息从而实现测量目的的技术。机器视觉技术的实质就是通过图像传感器实现从三维世界中获取二维图像或者标记物体的二维像素坐标进行研究并提取出三维景物几何信息的过程。基于机器视觉方法的视觉测量技术近年来在非接触领域发挥愈来愈大的作用，同时具有测量精度高、抗干扰性能好、实时性强、自动化程度高等优点，从而可以对被测物进行无限制的、独立客观的、准确可靠的测量^[4]。随着电子技术的不断发展，各类新的性能更加优良的图像采集、处理的硬件的不断出现为视觉测量技术的发展提供了新的方法和解决方案，再加上数字图像处理算法的不断优化发展和效率的提高，是视觉测量技术在成本不断降低，实现更加容易的同时自动化程度和测量效率不断提高，打打促进了机器视觉测量方法的普及应用和深入研究。

目前大多数基于机器视觉方法的视觉测量技术都是采用具有高分辨率的光学镜头的数字相机，硬件的价格很昂贵，很多企业和个人无法承担，大大限制了该技术的普及应用与发展，而且绝大多数视觉测量系统都是采用传统标定方法^[5]，其标定过程复杂且需要制造精度极高的辅助设备，比如制造精度极高标定板和标定块，标定过程耗时较长，总成本偏高。目前，为了进一步促进视觉测量系统的应用与研究，在保证测量精度的同时，进一步降低视觉测量系统的成本便成为十分重要的任务。

随着视觉测量技术朝着低成本、高精度的方向不断发展，由于Wiimote内置有高分辨率的红外COMS摄像头和告诉蓝牙模块使得Wiimote可以作为一种新的视觉传感器和图像处理模块应用于视觉测量领域，实现空间中红外LED灯的实时测量。

本文借助于任天堂出品的游戏主机Wii的主要控制器（摇杆）Wiimote作为视觉传感器，由于Wiimote的成本低，故构建一个基于Wiimote的传输实时分析系统的成本相对于其他的视觉测量系统来说是很较低的，同时Wiimote的测量精度在测量区域位于距离Wiimote相机中心为5米的区域内可以达到了测量实时性的要求，可以完成一般要求的测量。

1.2 论文的主要研究内容

本文的主要目的是设计基于Wiimote的传输实时性分析系统，通过设计的系统对定位所需时间进行较为准确的收集，从而对Wiimote实时性进行分析与评估。因此本文的主要研究内容如下：

（1）Wiimote的传输实时性分析系统的设计：1.通过对PCB的分析以及程序的编写；2.基于MATLAB设计Wiimote上传数据的时间记录的程序的编写。

（2）Wiimote的传输实时性分析实验。

第2章 系统需求

2.1需求分析

根据需求分析，基于Wiimote的传输实时性分析系统首先需要实现对LED灯像素坐标的准确采集，并且不同的坐标数据；其次是对时间的如何进行采集，使得在对Wiimote能够准确的进行传输实时性分析和评估；然后通过设计相应的GUI界面将相应的功能体现在界面当中，这样能直观、简洁的得到实验数据，从而对其进行分析。为了完成以上任务，需要合适的硬件系统和合理的软件系统。

2.2总体设计方案

通过2.1章节的分析，基于Wiimote传输实时性分析系统设计硬件系统需要考虑以下部分：1.能够准确提供时间精度以1ms-10000ms的单片机及LED灯矩阵；2.视觉传感器和图像采集器Wiimote。

基于Wiimote传输实时性分析系统设计软件系统需要考虑以下部分：1.通过Wiimote设计一个像素坐标采集系统；2.对Wiimote的采集来的像素坐标进行时间记录。系统的组成框图如图1所示：

图1 系统总体组成框图

第3章 Wiimote的实时性表示及评估

3.1 Wiimote功能介绍

Wiimote 又可以成为Wii-mote，是指任天堂新主机WII的专用游戏操纵器，也就是指我们日常生活中的游戏手柄。Wiimote集成三向定位仪，可用来直接感应玩家动作的速度与方向，进而直接操纵游戏中人物的动作。这项技术具有很多特色与创新之处^[6]。

3.1.1 外观

外观上Wiimote并不是基于传统的手柄造型设计，而是采用了类似单手握遥控器的设计，长148mm，宽36.2mm,厚30.8mm。Wiimote（如图3所示）采用了左右对称的设计，因此无论用哪只手使用Wiimote都不会有不适的感觉。Wiimote上的按键有十字方向键，A键，B键，1键，2键等操作键和“ ”键，“—”键，“Home”键，“SYNC”键等功能键。在接近Wiimote的中心位置有一个扬声器，用于播放游戏音效。Wiimote通过两节AA碱性电池维持工作。

3.1.2 原理

Wii之所以有这么炫的功能，完全在于它抛弃了传统的输入方式，改用其他机制作为机器输入方式。Wii是利用了加速度当作输入方式。 在地球表面上，重力加速度无所不在，因此使用者握着把手时，不论是怎样的姿态，Wii都可以知道是Wiimote是哪边向下，从而借以猜测大概的人体姿态。玩家握着Wiimote，Wii的CPU并不知道这是一个挥棒的动作，它只是根据Wiimote传回来的加速度大小和方向，判断这是否合乎挥棒动作应有的信号。如果符合挥棒的加速度大小和方向，那么游戏就会做出相应的挥棒动作从而完成了交互。所以在某些条件下，使用者也许可以找到一些动作，拥有类似的加速度方式，借以欺骗游戏程式，达到同样的效果。

Tracking来自于“虚拟现实”技术。“虚拟现实”包括三个主要特点，实时，交互，沉浸。即人类沉浸于通过计算机模拟出的虚拟世界中，通过实时地和虚拟世界交互和操纵而体会出一种处于真实世界的感觉。Tracking技术的主要目的是实时跟踪和反馈目标的位置和方向，在终端做出相应显示变化，即目标在三维空间的具体位置和它所面对的方向。Tracking的方法根据传感元件的不同分为：力和机械式Tracking，光学式Tracking，电磁式Tracking，惰性Tracking和声学Tracking等等。其中光学传感式Tracking由于携带方便，精确性高，抗干扰性好和花费低廉等等种种因素逐渐被更加广泛的应用。光学式Tracking因为光线不同分为普通光，红外甚至激光等类别。Wii使用的便是红外传感器，从而不受普通环境光源所影响的。

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