Способ датчиков - дальномеров

Разработка подвижной системы регистрации 3D изображения на основе стереопары

С применением вейвлет-анализа

Автор:Трояновский Ян Владимирович,

ГКОУ ДОД РЦ НТТУ, г. Нальчик, 11 класс

Научный руководитель:Юрченко Станислав Олегович, зав. лабораторией «Терагерцоваяоптотехника» НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н.Э.Баумана;

Технический руководитель: Зайцев Кирилл Игоревич, м.н.с. НОЦ «Фотоника и ИК-техника» МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Москва

2014 г.

Содержание

Введение

1.Современные разработки в области трёхмерного технического зрения и перспективы его применения 4

1.1 Современные способы регистрации трёхмерной информации. 5

1.1.1 Способ датчиков - дальномеров. 5

1.1.2 Стереоскопическая система. 5

2.Алгоритм регистрации трёхмерной информации изображений стереоскопическим методом 6

2.1Регистрация изображений. 6

2.2 Калибровка стереосистемы.. 7

2.3 Ректификация изображений и эпиполярная геометрия. 9

2.4Построение пирамиды изображений. 9

2.4.1Вейвлет-анализ изображений. 10

2.5Построение карты диспарантностей с помощью пирамиды изображений. 11

2.6 Пересчет карты диспарантностей в трехмерный образ. 12

Выводы

Заключение

Список использованной литературы

Введение.В настоящее время робототехника – одна из самых бурно развивающихся прикладных наук. Главная задача робототехники состоит в замене человека в опасных для здоровья и жизни условиях автоматизированными и роботизированными комплексами. При этом задача состоит в том, чтобы команды оператора выполнялись точно и вовремя. Однако существует целый ряд задач, требующих автоматического принятия решения. В связи с этим,актуальна задача о регистрации трёхмерной информации об объектах, окружающих робота, их классификация.

Опыт ликвидации последствий аварии на АЭС «Фукусима» показал, что имеющиеся сегодня управляемые по кабелю роботизированные комплексы чрезвычайно уязвимы ввиду несовершенства кабельного управления, при этом всё зависит от банальной прочности кабеля [1]. Радиоуправление роботами на АЭС также было затруднено в связи с губительным влиянием радиации на принимающую электронику прибора. При всех этих обстоятельствах, всего один автоматизированный комплекс, ведущий восстановительные работы на АЭС «Фукусима», обладает возможностью самостоятельного распознавания препятствий и способностью их объезда.

Разработки новейших методов регистрации трехмерных образов объектов, позволяющих восстанавливать 3D картины в реальном масштабе времени, ведутся ведущими научными учреждениями мира. Основным методом такой регистрации является использование стереопары - системы из двух камер, расположенных на определённом расстоянии друг от друга. Существующие алгоритмы обработки изображений стереопары позволяют достичь высокой кадровой частоты только при использовании методов распараллеливания вычислений, в то время как реализация классических алгоритмов стереозрения на простом персональном компьютере позволяет получить кадровую частоту порядка одного кадра в секунду. Существует возможность повысить кадровую частоту обработки сигналов стереопары для восстановления трехмерного образа. На решение этой задачи и направлена настоящая работа.

Цель работы –разработка и реализация алгоритма восстановления трехмерных образов объектов с помощью пассивной стереоскопической системы.

Для достижения цели требуется выполнить цикл исследования, включающий разработку нового программного пакета, создания макета 3D-видения, проведение экспериментальных исследований, обработку и анализ полученных результатов.

Задачи:

„ разработка макета стереоскопической системы;

„ реализация алгоритма регистрации трехмерных образов объектов;

„ проведение экспериментальных исследований трехмерных образов объектов с использованием разработанного алгоритма и макета;

„ оценка пригодности программного пакета для применения в подвижных системах.

Объект исследования:трёхмерный внешний объект.

Предмет исследования: восстановление трёхмерного образа объекта по снимку стереопары.

Работа направлена на внедрение новых технологий машинного зрения в различные сферы техники с целью модернизации и совершенствования производств, автоматизации автономных систем в социальной сфере.

Новизна проекта заключается в разработке нового алгоритма поиска сопряжённых точек, реализованного в программном пакете, который может быть использован в качестве системы трёхмерного технического зрения для различных приложений.

Современные разработки в области трёхмерного технического зрения и перспективы его применения

Актуальность работы.Технологии трёхмерного компьютерного зрения широко используются в различных областях науки и производства. Основные задачи систем трёхмерного зрения связаны с робототехникой, а именно,сповышением уровня автономности робота от оператора с помощью систем самостоятельной доставки аппарата до пункта назначения. Такие системы могут использоваться там, где человек не в состоянии управлять ситуацией по каким-либо причинам. В связи с этим, роботы с трёхмерным техническим зрением применяют при ликвидации чрезвычайных ситуаций различного масштаба.

Кроме того, оператор не в состоянии управлять роботизированными комплексами, находящимися далеко за пределами Земли. С этой проблемой столкнулись учёные из США, управляя марсоходами при помощи системы обратной связи. А при изучении дальнего космоса вопросы управления аппаратов оператором становятся невозможными ввиду расстояния до аппарата: так, период передачи сигнала до Марса в среднем составляет 10-12 минут, что значительно затрудняет комплекс исследований для управляемого марсохода на планете.

Другой важной областью применения трёхмерного компьютерного зрения являются различные системы слежения. В производстве уже давно применяются технологии компьютерного зрения для анализа произведённых деталей на предмет деформаций. При этом всё больше ведущих конструкторских корпораций и фирм применяют системы компьютерной проверки состояния изготовленных деталей.

Особо актуальны системы трёхмерного компьютерного зрения для военных, навигационных и топографических задач. Имеются в виду различные системы слежения, от городских систем трёхмерного наблюдения, face – контроля, до построения топографических трёхмерных сцен поверхности Земли. Достижения компьютерного зрения именно в этой области сейчас имеют высокий уровень, ведутся разработки по повышению качества и уровня способностей таких систем.

1.1 Современные способы регистрации трёхмерной информации

Существуют два способа осуществления процесса восприятия автоматизированными системами именно трёхмерной информации. Один из них заключается в использовании различных датчиков – дальномеров, и это самый распространённый способ восстановления трёхмерных сцен. Второй – менее разработанный способ – стереоскопическая система.

Способ датчиков - дальномеров

Радиолокация местности позволяет определить расстояние до препятствий, однако, она не даёт другой, крайне необходимой для исследования, информации. Способ датчиков–дальномеров уже не позволяет достигать основных задач робототехнических систем зрения, т.е. распознавания образов, поиск необходимых объектов – задач, поставленных с развитием систем компьютерного зрения. А в связи с этим, при создании автономных робототехнических систем, находящихся в малой зависимости от оператора, данный способ теряет актуальность. Существует возможность анализа окружающих объектов с помощью системы «камера и дальномер», но это подразумевает дополнительную весовую нагрузку и дополнительные материальные вложения при создании таких робототехнических комплексов, что является значительным недостатком способа восстановления образов трёхмерных объектов с помощью дальномеров в целом.

Стереоскопическая система

Другим способом трёхмерной регистрации объекта является использование стереоскопической системы, или стереопары. Принцип работы стереопары основан на методе параллаксов [2]. Сущность метода заключается в том, что камеры находятся на некотором расстоянии друг от друга. При этом, изображения объектов на двух фотографиях со стереопары смещены относительно друг друга. По этому смещению есть возможность определить расстояние до объектов, зная технические характеристики камеры и расстояние между ними. Подобным зрением обладает и человек, что позволяет нам видеть мир в трёхмерном формате. Способ стереопары не требует излишнего оборудования и весовой нагрузки на робототехническую систему, так как при его использовании на робота устанавливается только две камеры, однако способ требует точных знаний о технических характеристиках камер и громоздких вычислений, что в большинстве случаев требует распараллеливание задач вычисления. Это является недостатком способа: компьютер на роботе не способен справиться с таким количеством вычислительных операций за короткий промежуток времени, в результате чего кадровая частота значительно снижается и не даёт достаточной информации об окружающей робота среде.

Стереоскопический метод регистрации трёхмерных изображений является наиболее прогрессивным и выгодным, чем метод радиолокации местности, но требует оптимизации и увеличения мощностей вычислительной техники. Тем не менее, в этом русле лежат современные работы и поисковые исследования ведущих научных коллективов в нашей стране и за рубежом.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: