System aktywnej triangulacji trójwymiarowej.pdf

Politechnika Wrocławska

Wydział Elektroniki

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Specjalnosc: Robotyka

PRACA DYPLOMOWA

MAGISTERSKA

System aktywnej triangulacji trojwymiarowej

AUTOR:

PROWADZCY PRAC E:

Maciej Miklas

dr Marek Wnuk

OPIEKUN:

dr Bohdan Kreczmer

OCENA PRACY:

Wrocław 2000

Spis tresci

1 Wst ep

2 Og olna koncepcja

2.1 Zasada działania zaprojektowanego systemu stereowizyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 Model geometryczny kompletnego systemu stereowizyjnego

3.1 Ustalenie rzeczywistej lokalizacji plamki wskaznika laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 Wyznaczenie wektora przesuni ecia jako rzutu na płaszczyzn e silnika SM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

v x v y v z . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.5 Wyznaczenie połozenia silnika SM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

3.6 Wyznaczenie połozenia silnika SM1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4 Praktyczna realizacja kompletnego systemu wizyjnego

4.1 Zaleznosc ruchu silnik ow od przesuni ecia wskaznika laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4.4 Poł aczenie kontrolera wskaznika laserowego z klientem systemu wizyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5 Obr obka obrazu

5.1 Znajdowanie obiekt ow do lokalizacji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

5.1.1 Lokalizacja wskaznika we wsp ołrz ednych lokalnych lewej i prawej kamery . . . . . . . . . . . . 24

5.2.1 Format zapisu i obr obki danych . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.2 Odejmowanie obraz ow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.3 Znajdowanie histogramu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

5.2.4 Znajdowanie progu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2.5 Połprogowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

5.2.6 Znajdowanie srodka masy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5.2.7 Indeksowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

6 Test skonstruowanego systemu wizyjnego

6.1 Dokładnosc systemu wizyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

6.2 Spos ob realizacji programu steruj acego ( laser3d ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3 Wyznaczenie wektora przesuni ecia jako rzutu na płaszczyzn e silnika SM2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.4 Wyznaczenie wektora przesuni ecia: v

4.2 Wst epna kalibracja systemu wizyjnego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.3 Spos ob realizacji oprogramowania wskaznika laserowego . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

5.1.2 Lokalizacja wskaznika we wsp ołrz ednych lokalnych prawej kamery (koncepcja) . . . . . . . . . 24

5.2 Realizacja operacji na obrazie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

6.3 Podsumowanie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Wazn a umiej etnosci a człowieka jest podejmowanie decyzji na podstawie bodzcow zewn etrznych.

Najistotniejszym narz adem zmysłu człowieka jest wzrok, poniewaz informacje poprzez niego uzy-

skiwane maj a najwi ekszy wpływ na nasze działanie w roznych okolicznosciach. Istotnym zada-

niem automatyki w obecnych latach jest stworzenie system ow wizyjnych jak najbardziej zblizonych

mozliwosciami do oka ludzkiego, a jednoczesnie wymagaj acych jak najmniejszych mocy obliczenio-

wych.

Systemy wizyjne obecnie s a stosowanie w coraz szerszym zakresie. Stanowi a wyposazenie robot ow,

stanowisk przemysłowych, czy sterowanie ruchem ulicznym. Operacje przetwarzania obrazu pozwa-

laj a na łatw a analiz e zdj ec satelitarnych Ziemi. Dzi eki przetwarzaniu obrazow w specjalny spos ob

przetwarzaniu obrazow mozna wykryc niekt ore schorzenia oraz leczyc je nawet w bardzo trudno

dost epnych miejscach. W metalurgii analiza obrazow znajduje zastosowanie w przerobce surowcow

mineralnych i procesie oceny probek materiał ow kompozytowych.

Jezeli uzyjemy kamer telewizyjnych jako zrodła obrazow, nalezy otrzymany obraz przekształcic na

postac cyfrow a, a nast epnie przeprowadzic proces jego przetwarzania i analizy, w skład kt orego wcho-

akwizycja obrazu

przetwarzanie obrazu (ltracja wst epna,wyostrzenie, eliminacja zakłocen, kompresja obrazu,

analiza obrazu (wydobycie cech opisuj acych obraz)

Zadania realizowane przez komputerowe systemy przetwarzania obrazu cechuje duza złozonosc ob-

liczeniowa oraz wysoki stopie n trudnosci realizacji takich algorytm ow. U człowieka czynnosc ta jest

wykonywana na biez aco przez m ozg. Uczymy si e jej juz we wczesnym okresie niemowl ecym i do-

mat sceny. Zgromadzone informacje maj a wpływ na reakcj e systemu. Najcz esciej uzyskujemy t a

drog a wizualne sprz ezenie zwrotne. Uzyskana informacja moze byc dla robota informacj a o prze-

1 Wst ep

mozemy uzyskac informacje nie rozrozniane przez system wzrokowy człowieka. W medycynie dzi eki

dzi:

eksponowanie waznych cech, itp. )

rozpoznanie obrazu i jego interpretacja

skonalimy przez całe zycie, wobec czego wydaje si e nam ona naturalna i oczywista.

Celem sztucznego przetwarzania lub analizy obrazu jest uzyskanie poszukiwanych informacji na te-

Nie nalezy mylic analizy obrazow z przetwarzaniem graki komputerowej. S a to zupełnie prze-

obiekt ow i ich cech do komputerowej wizualizacji uzyskanego efektu w postaci obrazu dwuwymia-

rowego lub pseudo - trojwymiarowego. Natomiast w analizie obrazu chodzi o to, zeby znalezc na

podstawie rzeczywistego obrazu jego skrocony opis i wydobyc z niego interesuj ace nas dane.

cji o scenie i znajdowanie interesuj acych nas obiekt ow. Bardzo wazn a składow a tego zadania jest

okreslenie ich odległosci. Na podstawie informacji z kamer mozemy dokonywac analizy sceny oraz

badac odległosc do interesuj acych nas obiekt ow. Dzi eki temu stosuj ac taki system na przykład w ro-

bocie mobilnym mamy mozliwosc bezkolizyjnie poruszac si e w nieznanym srodowisku oraz (ewen-

szkodzie, jej odległosci a, czy informacj a, ze nalezy wykonac jakies operacje na obiekcie.

ciwstawne dziedziny. Celem zastosowania graki komputerowej jest przejscie od skroconego opisu

Zadaniem wykonanego i opisanego w tej pracy systemu stereowizyjnego jest zbieranie informa-

tualnie) znajdowac elementy o interesuj acym nas kształcie.

2 Og olna koncepcja

Przyjmijmy, ze standardowy system stereowizyjny składa si e z dwoch kamer (lewej i prawej). Najcz esciej

mer. Jednak znalezienie np. odległosci do interesuj acego nas obiektu jest zadaniem wymagaj acym

duzej mocy obliczeniowej. Jest to uwarunkowane tym, ze system musi dla wszystkich punkt ow z

lewej kamery odszukac odpowiadaj ace im punkty na obrazie z prawej kamery. Taka operacja wi aze

si e z przetwarzaniem duzej ilosci danych.

Sytuacja ulega uproszczeniu jezeli mozemy wyrezyserowac scen e poprzez naniesienie na ni a kon-

trastowych punkt ow. Odnalezienie odległosci od tak oznakowanych obiekt ow wymaga znacznie

mniejszej mocy obliczeniowej. Dopasowanie obrazow sprowadza si e do znalezienia oznakowa-

dokładniejsza, poniewaz połozenie punktu, kt ory jest kontrastowy na danym tle mozna okreslic z

wi eksz a dokładnosci a.

Takie rozwi azanie jednak dyskwalikuje zastosowanie systemu wizyjnego w nieznanej scenerii.

2.1 Zasada działania zaprojektowanego systemu stereowizyjnego

Proponowane w pracy rozwi azanie posiada zalety lokalizacji znacznikow bez koniecznosci rezyserii

Zaprojektowany system wizyjny korzysta z typowej głowicy stereo wyposazonej w dwie kamery

CCD (lewa i prawa).

System został tak zaprojektowany, zeby przy wykorzystaniu jak najmniejszej mocy obliczeniowej

uzyskac mozliwie dokładne pomiary odległosci.

Ogolnym zadaniem tego systemu jest pomiar odległosci punktu widzianego na obrazie pobranym z le-

Wsp ołrz edne poszukiwanych punkt ow zostaj a znalezione jako srodki ci ezkosci ciemnych obiekt ow

Wskaznik laserowy nadaje si e do dynamicznego znakowania obiekt ow poniewaz:

promie n swietlny ma mały k at bryłowy, co powoduje niewielkie zmieszanie intensywnosci

swiecenia ze wzrostem odległosci;

wykorzystane w systemie wizyjnym kamery s a wyposazone w przetworniki CCD. Najwi eksza

gromadzenie informacji na scenie odbywa si e poprzez porownywanie obrazow otrzymanych z obu ka-

nego punktu w lokalnych wsp ołrz ednych obydwu kamer. Rowniez lokalizacja takiego obiektu jest

sceny. Zastosowano dynamiczne znakowanie obiekt ow z wykorzystaniem wskaznika laserowego.

wej kamery, co w rezultacie daje nam informacj e o odległosci obiektu przez niego reprezentowanego

na jasnym tle.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: