بهبود سرعت و دقت ردیاب پویای سه بعدی به روش بینایی استریو به منظور سنجش موقعیت و سرعت شی متحرک

در این پایان نامه به معرفی و پیاده سازی مدل جدید بینایی استریو به منظور اجرا بر روی ربات تعقیب گر می‌پردازیم. مدل بینایی استریو برای دستیابی به موقعیت سه بعدی اجسام کاربرد دارد، این مدل متشكل از یك شئ و دو دوربین با محور اپتیكی موازی یا متقاطع و یا دیگر چیدما‌ن‌ها است. کالیبراسیون دوربین یکی از پردازش های اساسی مورد نیاز در بینایی ماشین سه بعدی به منظور استخراج داده های مربوط به ابعاد و موقعیت سه بعدی اجسام از روی تصاویر دو بعدی می‌باشد. روشی که در این تحقیق برای کالیبراسیون استفاده می‌شود به طور کامل در دو دسته‌ی کلاسیک و خود کالیبراسیون قرار نمی‌گیرد و نسبت به آن‌ها دارای انعطاف بیشتری می‌باشد و مزیت اصلی این روش، راه اندازی آسان آن است به گونه‌ای که هر فردی با ایجاد یک صفحه کالیبراسیون می‌تواند آن را به کار گیرد. با بینایی استریو به فاصله‌ای با دقت معقول خواهیم رسید که حجم بالای محاسباتی آن، بلادرنگ ساختن آن را با مشکل روبه‌رو می‌سازد، اما باروشهای بهینه سازی الگوریتم بر اساس کاهش فضای جستجو و بهبود سخت‌افزاری، توانستیم تا حدودی بر این مشکل غلبه کنیم. در هر حال مناسبترین سیستم برای هر کاربردی باید با لحاظ کردن تمام شرایط بکارگیری انتخاب شود.

فهرست مطالب

چکیده. 1

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- اهمیت بینایی استریو. 2

1-2- انواع روش های فاصله یابی. 3

1-3- آشنایی با بینایی استریو. 4

1-4- الگوریتم‌های بینایی استریو. 6

1-5- مفاهیم اصطلاحات رایج در بینایی استریو. 7

فصل دوم: بینایی استریو

2-1- مقدمه. 8

2-2- مروری بر بینایی استریو. 9

2-3- استریو مبتنی بر ناحیه و مبتنی بر ویژگی. 10

2-4- استریو پویا. 11

2-5- استریو فعال. 12

2-6- نقشه عمق متراکم. 12

2-7- محدودیت هایی بر اساس دوربین و مبتنی بر صحنه. 13

2-7-1- محدودیت های هندسه تصویر.. 14

2-7-2- محدودیت استفاده از خصوصیات شی.. 16

2-8- انسداد و شفافیت. 21

2-9- کالیبراسیون دوربین ها. 22

2-10- روشی برای کالیبراسیون. 25

2-11- کالیبراسیون استریو. 27

2-12- همراستاسازی تصاویر. 28

2-13- محاسبه ناهمخوانی ها. 29

2-14- محاسبه مختصات سه بعدی یک ویژگی از جسم. 32

2-15- محاسبه میزان دوران و انتقال یک جسم سه بعدی نسبت به یک موقعیت مرجع. 33

2-16- نشانه های یافتن عمق. 34

2-17- بررسی نقش ناهم‌خوانی و تاری در یافتن عمق. 34

2-18- فواید تاری. 39

2-19- رفتار حرکتی. 41

2-20- شکاف مردمک ها. 42

فصل سوم: طراحی و ساخت

3-1- شرح اجزای سازنده تعقیب گر. 46

3-2- سروو موتور. 52

3-3- معرفی آردینو. 54

3-3-1- محیط برنامه نویسی آردینو.. 54

3-3-2- کتابخانه ها.. 58

3-3-3- معماری و ساختار AVR. 58

3-4- کالیبراسیون دوربین و بازسازی سه بعدی. 62

3-5- تشخیص اشیا. 64

3-5-1- روشهای براساس ظاهر درتشخیص شی.. 65

3-5-1-1- شیوه های تطبیق فضای ویژگی.. 65

3-5-1-2- شیوه های طرح زیر فضا.. 66

3-6- تبدیل هاف. 66

3-6-1- نمایش پارامتری.. 67

3-6-2- انباره.. 68

3-6-3- الگوریتم تبدیل هاف.. 68

3-6-4- پیاده سازی.. 69

3-7- تناظر پیكسلها درصفحات موازی با صفحه تصویر دوربینها 70

3-8- انسداد پیكسلی در تناظر استریو. 71

3-9- نرم افزار پردازش تصویر. 72

فصل چهارم: ارزیابی عملکرد

4-1- کالیبراسیون. 74

4-2- تصحیح تصاویر. 78

4-3- تشخیص اشیا. 79

4-4- محاسبه سرعت جسم. 81

4-5- ارزیابی عملکرد تعقیب گر. 82

4-5-1- نتایج تست استاتیکی.. 83

4-5-2- نتایج تست دینامیکی.. 87

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات

5-1- نتیجه گیری. 91

5-2- پیشنهادات. 93

مراجع. 94

پیوست ها. 99

 فهرست اشکال

شکل(2-1):هندسه اپی‌پولار و خطوط اپی‌پولار.. 15

شکل (2-2): انواع مختلف لبه ها (ناپیوستگی ها).. 17

شکل(2-3) :گرادیان ناهمخوانی و تفکیک سیکلوپن19

شکل(2-4): ترتیب نقاط نگاشت شده در خطوط اپی پولارمتناظر در تصاویر. 20

شکل (2-5): دستگاه مختصات جهانی که در گوشه صفحه تعریف شده است... 27

شکل (2-6) هندسه دید استریو برای تنظیمات دوربین.. 30

شکل (2-7) هندسه سیستم استریو مبنا.. 31

شکل(2-8) هندسه تاری و ناهمخوانی.. 35

شکل(2-9) محرک و اطلاعات.. 39

شکل(2-10) شکاف مردمک ها و عمق آستیگماتیک از میدان45

شکل (3-1) دوربین اولیه انتخاب شده برای تعقیب گر.. 47

شکل(3-2) دوربین نهایی انتخاب شده برای تعقیب گر.. 50

(شکل(3-3) نمای تعقیب گر.. 51

شکل(3-4) سمت راست سروو موتور مدل S35STD و سمت چپ سروو موتور مدل SG5010 52

شکل (3-5) فلوچارت عملکرد آردینو.. 55

شکل(3-6) محیط برنامه نویسی آردینو.. 56

شکل(3-7) معماری کلی هسته AVR.. 59

شکل (3-8) چگونگی اتصال سروو موتورها به برد کنترلی آردینو.. 61

شکل(3-9) نیاز به جداسازی در تصویر.. 71

شکل(3-10) انسدادتصویردربیناییاستریو.. 72

شکل (4-1) مراحل بینایی استریو.. 74

شکل (4-2) تصویر صفحه شطرنجی پس از گوشه یابی در حین اجرای کد کالیبراسیون استریو.. 76

شکل (4-3) نمونه‌ای از دایره تشخیص داده شده در تصویر چپ (بالا) و تصویر راست (پایین).. 80

شکل (4-4) نمونه‌ای از تشخیص دایره‌ی سبز از میان دایره‌های رنگی دیگر در تصویر چپ(بالا) و تصویر راست (پایین).. 80

شکل (4-5) نمونه‌ای از تشخیص دایره‌ی سبز از میان اشکال مختلف رنگی در تصویر چپ(بالا) و تصویر راست (پایین).. 81

شکل (4-6) جهت در نظر گرفته شده برای دستگاه مختصات تعقیب‌گر.. 83

شکل (4-7) نتایج تست استاتیکی طول.. 84

شکل (4-8) نتایج تست استاتیکی عرض.. 85

شکل (4-9) نتایج تست استاتیکی عمق.. 86

شکل (4-10) نمودار سرعت-زمان یک شی متحرک.. 87

شکل (4-11) نتایج تست دینامیکی ربات با جابه‌جایی بر روی محور X.. 87

شکل (4-12) نتایج تست دینامیکی ربات با جابه‌جایی بر روی محور Y.. 88

شکل (4-13) نتایج تست دینامیکی ربات با جابه‌جایی بر روی محور Z. 89

شکل (4-14) نتایج تست دینامیکی ربات در سرعت‌های مختلف.. 90

 فهرست جداول

جدول (3-1) مشخصات دوربین مدل PK-750MJ از برند A4TECH.. 47

جدول (3-2) مشخصات دوربین Logitech HD Webcam C270. 49

جدول (3-3) مشخصات سرووو موتور.. 53

جدول(3-4) نقشه فضای حافظه.. 60

جدول (4-1) نتایج تست استاتیکی با جابه‌جایی در عمق.. 83

جدول (4-2) نتایج تست استاتیکی با جابه‌جایی در طول.. 84

جدول (4-3) نتایج تست استاتیکی با جابه‌جایی در عرض.. 84