Введение к работе
Актуальность темы
Для решения различных технических задач нередко приходится
строить модель поверхности физического объекта по результатам его
наблюдения. Так, например, для функционирования мобильных роботов
(моботов) в экстремальных условиях сенсорная система должна
обеспечивать формирование рельефа сцены, эта информация используется для коррекции траектории движения робота либо для ее вычисления. По построенной модели окружающей обстановки робот может осуществлять классификацию находящихся в его поле зрения объектов и определять бесконтактным методом пространственное положение и ориентацию обнаруженных объектов для организации самонаведения схвата манипулятора на выбранный предмет.
В последние годы в связи с миниатюризацией датчиков и существенного увеличения их разрешающей способности появилась возможность исследовать трудно доступные полости как в технических приборах (например, двигателях), так и в полостях человеческого организма. При использовании таких приборов для медицинских целей, важными условиями являются необходимость измерения очень малых расстояний (от долей миллиметров до единиц сантиметров) и отсутствия активного излучения.
Трагические события 11 сентября 2001 года создали невероятный спрос на всевозможные биометрические системы. Оказалось, что системы двумерного распознавания лиц фактически неработоспособны, а другие «биометрические» системы либо слишком неточны (геометрия руки), либо слишком сложны в применении (сетчатка глаза), либо легко подделываются (отпечатки пальцев). А вот системы трехмерного распознавания лиц действительно работают. В этих системах первоочередной задачей является задача построения трехмерной модели лица.
При создании рельефных карт местности, в космической навигации, в военном деле также возникает необходимость формирования карты глубин.
Анализ существующих методов формирования трехмерных изображений выявил, что получение информации о рельефе поверхности решается в основном тремя способами: использованием посланных и отраженных сценой лучей; выделением характерных точек поверхностей (вершин, краев и т.д.) или специальной подсветкой. Данные методы не позволяют определять небольшие расстояния с высокой точностью, и, в частности, не могут быть использованы в медицине.
Таким образом, требование повышения точности измерения небольших расстояний и их реализации в реальном масштабе времени обуславливает необходимость разработки и исследования новых методов определения информации о рельефе сцены.
Объект и предмет исследования:
Объектом исследования является метод измерения расстояний до участков поверхности с использованием системы технического зрения
(СТЗ) в качестве датчика информации, а предметом исследования -характеристики данного метода.
Цель и задачи исследования:
Целью работы является исследование метода измерения расстояний с использованием одного пассивного датчика на основе компьютерного моделирования и разработка комплекса программного обеспечения для нахождения расстояния до участка поверхности, изображенной на фотографиях в разных масштабах, а также нахождение масштаба ближнего и дальнего планов, при которых наблюдается соответствие. Также следует рассмотреть возможности снижения вычислительной трудоемкости обработки изображений с помощью каких-либо специальных алгоритмов. Для достижения поставленных целей были сформулированы следующие задачи:
провести сравнительный анализ существующих методов измерения расстояний с помощью СТЗ и выявить их основные преимущества и недостатки;
провести аналитические исследования метода измерения расстояний с помощью одного пассивного датчика, смещаемого вдоль оптической оси и разработать его математическую модель;
разработка алгоритма и выбор программного обеспечения для организации математического моделирования информационных процессов измерения расстояний до объекта с помощью одного пассивного датчика;
исследование точности измерения расстояний для разных условий и поверхностей различной степени сложности с помощью пассивного датчика и разработка программно-аппаратной реализации моносистемы искусственного зрения.
Методы исследования:
Для решения указанных задач в работе использовались методы математического анализа, векторной алгебры, линейной алгебры, дифференциальной геометрии, математического аппарата, лежащего в основе машинной графики, математической статистики, методы моделирования на ЭВМ и объектно-ориентированного программирования, экспериментальные исследования.
Научная новизна:
Научную новизну работы определяют впервые полученные и перечисленные ниже результаты:
уточнена математическая модель системы измерения расстояний с помощью одного пассивного датчика;
проведены исследования точности метода измерения расстояний с помощью одного пассивного датчика на основе предложенной математической модели;
- разработан алгоритм обработки информации, полученной от пассивного
датчика изображения, и написана программа;
- проведены вычислительные эксперименты по апробации разработанного
метода измерения расстояний на основе предложенной математической
модели и алгоритма обработки информации, поступающей от пассивного датчика;
- разработан комплекс характеристических показателей для оценки эффективности предлагаемой математической модели моносистемы искусственного зрения.
Теоретическая значимость работы:
Разработанная математическая модель моносистемы и алгоритмы обработки зрительной информации, поступающей от датчика изображения, могут послужить, с одной стороны, расширению технических возможностей СТЗ, которые могли бы строить описание окружающего мира в произвольных условиях, с другой - дальнейшему внедрению СТЗ в традиционные области применения и совершенствованию методов и средств обработки изображений.
Практическая значимость работы выполненных исследований ориентирована на широкий круг применения и может существенно облегчить решение следующих задач:
экспериментальные и теоретические исследования в области разработки аппаратного и программного обеспечения систем распознавания и обработки изображений;
создание промышленных телевизионных следящих систем, ориентированных на решение конкретных задач.
Рекомендации по использованию:
Результаты исследования можно использовать в таких областях как робототехника, искусственный интеллект, телевидение, цифровая обработка изображений и ряду других.
Достоверность научных результатов исследования обеспечивается проверкой соответствия результатов моделирования данным натурных экспериментов, подтвердивших справедливость основных положений диссертации; публикациями в реферируемых журналах, участием в тематических конференциях.
Положения, выносимые на защиту:
Математическая модель моносистемы для измерения расстояний до объекта исследования.
Вариант построения программно-аппаратного комплекса моносистемы измерения расстояний до участков поверхности, реализующий метод обработки результатов испытаний на основе алгоритма корреляционного совмещения ближнего и дальнего изображений реальной поверхности.
3. Результаты математического моделирования оценки точностных
параметров измерения расстояний при исследовании достаточно гладкой
поверхности с простым рисунком, позволяющие выбрать режим фотосъемки
и технические характеристики устройства для достижения гарантированной
точности измерения расстояний до участков поверхности.
4. Результаты вычислительного эксперимента на основе предложенной
математической модели.
Личный вклад автора:
Автором лично выполнены следующие теоретические и прикладные разработки: анализ научно-методической литературы и ресурсов сети Internet для выявления текущего состояния методов измерения расстояний бесконтактными методами; моделирование метода измерения расстояний с помощью одного пассивного датчика для обеспечения его реализации; алгоритм определения расстояния до объекта с помощью корреляционного метода совмещения двух изображений, полученных смещением телекамеры вдоль оптической оси; оценка точности измерения расстояний до отдельных участков исследуемой поверхности; экспериментальное исследование определения расстояний до поверхностей различной степени сложности.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6 научной сессии аспирантов ГУАП (Санкт - Петербург, 2003), на 2 международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт -Петербург, 2006).
Публикации.
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 5 научных изданиях.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Работа изложена на 100 страницах, содержит 22 рисунка и 4 таблицы.
