close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

uploaded 0C54EA9414

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Кравцов Сергей Валентинович
Методы, модели и алгоритмы
обработки видеоинформации в цифровой телевизионной системе
стереозрения для повышения точности позиционирования
на априорно неопределённой сцене
Специальность: 05.12.04
Радиотехника, в том числе и системы и устройства телевидения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Таганрог – 2013
2
Работа выполнена на кафедре информационной безопасности телекоммуникационных систем факультета информационной безопасности федерального
государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Румянцев Константин Евгеньевич заведующий кафедрой информационной безопасности
телекоммуникационных систем факультета информационной безопасности ФГАОУ ВПО
«Южный федеральный университет»
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор
Шелухин Олег Иванович, заведующий кафедрой информационной безопасности и автоматизации факультета информационных технологий
ФГОБУ ВПО «Московский технический университет связи и информатики»
доктор технических наук, профессор
Мищенко Сергей Евгеньевич, ведущий научный сотрудник ФГУП «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи»
Ведущая организация:
Военный учебно-научный центр Военновоздушных сил. Военно-воздушная академия
имени
профессора
Н.Е.Жуковского
и
Ю.А.Гагарина (г. Воронеж)
Защита состоится "27" марта 2014 г. в 14 часов 20 минут на заседании диссертационного совета Д 212.208.20 при Южном федеральном университете в аудитории Д-406 по адресу: пер. Некрасовский, 44, ГСП-17, г. Таганрог, Ростовская
область.
С диссертацией можно ознакомиться в зональной научной библиотеке ЮФУ по
адресу: ул. Зорге, 21 Ж, общежитие 8 Б, г. Ростов-на-Дону, Ростовская область.
Автореферат разослан “10” февраля 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.208.20.
кандидат технических наук, доцент
Савельев В. В.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Телевизионные системы стереозрения все чаще используются как системы машинного зрения мобильных роботов, одной из задач
которых является точное позиционирование в окружающем пространстве. Задача позиционирования рассматривается как задача определения координат нескольких ориентиров в системе координат, связанной с телевизионной системой стереозрения, что позволяет оценивать её положение (позиционировать)
относительно выделенных ориентиров в пространстве. Позиционирование является важным показателем, применяемым для решения большого круга задач,
таких как, счисление пройденного пути, преодоление препятствий, для курсовой навигации и наведения, точного управления манипулятором и других.
При применении цифровых телевизионных систем стереозрения круг вопросов при решении задачи позиционирования должен быть расширен. Применение мозаичных фотоприемников цифровых видеокамер приводит к неизбежной дискретизации реконструируемого пространства и ошибкам координатных
измерений ориентиров. Поэтому необходимо не только определить ориентиры
и измерить их координаты, но и ответить на вопрос, с какой точностью данные
ориентиры позволяют решать задачу позиционирования. Ведь точность позиционирования будет определять и точность выполнения связанных с ней операций. В условиях априори неизвестной сцены возникают и требуют рассмотрения и оптимизационные задачи. Например, какие собственно следует выбирать ориентиры из полученного в априори неопределенного набора для обеспечения наилучшей точности позиционирования и преемственности измерений?
Обозначенное относится к вопросам анализа и обработки телевизионных
сигналов и непосредственно к области телевизионных измерений. На качество
телевизионных измерений заметное влияние оказывают как параметры телевизионных систем стереозрения, так и их рассогласования. Анализ влияния рассогласований параметров телевизионных систем стереозрения на качество измерений; методы, направленные на их устранение, а также методы учёта рассогласований при измерениях в литературе освещены крайне недостаточно. Поэтому вызывают интерес исследования данных вопросов с привязкой к показателям качества телевизионных измерений для получения конечных методов,
моделей и алгоритмов обработки телевизионных сигналов с целью повышения
точности позиционирования.
Целью диссертационных исследований является повышение точности
позиционирования цифровой телевизионной системы стереозрения на априорно
неопределённой сцене за счёт автоматической регулировки видеокамер стереосистемы, ограничения измерительного пространства стереосистемы, выбора из
априори неизвестного набора пар ориентиров, обеспечивающих наилучшую
точность позиционирования при заданной продолжительности их наблюдения.
Объектом исследований выступают прикладные телевизионные системы
цифрового стереозрения для позиционирования в трёхмерном пространстве.
Предметом исследований выступают методы, модели и алгоритмы обработки видеоинформации в цифровой телевизионной системе стереозрения, направленные на повышение точности позиционирования.
4
Достижение цели исследований осуществляется посредством рассмотрения и решения следующих частных задач:
1.Анализ измерительного пространства при согласованности параметров
цифровых телевизионных систем стереозрения. Точечное и интервальное оценивание координат точек трёхмерной сцены. Анализ моделей видеокамер, модели телевизионного сигнала;
2.Анализ стохастической модели ошибок измерений точек трёхмерной
сцены при согласованности параметров цифровой телевизионной системы стереозрения. Сопоставление вероятностной и статистической моделей ошибок
измерений точек трёхмерной сцены при согласованности параметров цифровой
телевизионной системы стереозрения;
3.Моделирование возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер цифровой телевизионной системы стереозрения, радиальной дисторсии видеокамер. Анализ влияния возмущающих факторов на измерительное пространство
цифровой телевизионной системы стереозрения и точность измерений посредством статистической модели возмущающих факторов;
4.Исследование метода компенсации влияния возмущающих факторов,
связанных с рассогласованиями параметров цифровой телевизионной системы
стереозрения посредством информационной и корреляционной обработки стереопары. Исследование методов учёта в измерениях неустранимых рассогласований параметров стереосистемы. Исследование метода оценки качества компенсации влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями параметров цифровой телевизионной системы стереозрения по статистическим
наблюдениям;
5.Постановка, анализ и решение задачи выбора лучших ориентиров и определения точности позиционирования при измерениях цифровой телевизионной системы стереозрения на априори неопределённой сцене. Исследование
влияния адаптации зоны поиска лучших ориентиров и измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения к условиям траекторной задачи на параметры и структуру цифровой телевизионной системы
стереозрения;
6.Анализ структуры цифровой телевизионной системы стереозрения для
позиционирования на априорно неизвестной сцене с автоматической регулировкой фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер
посредством информационной и корреляционной обработки стереопары с адаптацией измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения к условиям траекторной задачи.
К наиболее существенным новым научным результатам, полученным в
результате научно-исследовательской работы относятся:
— Стохастическая модель ошибок измерений точек трёхмерной сцены, позволяющая определять параметры распределений по всем координатам в
системе, связанной с цифровой телевизионной системы стереозрения;
— Метод компенсации влияния рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения посредством информационной и корре-
5
ляционной обработки стереопары. Модели и алгоритмы автоматической
трёхмерной калибровки цифровой телевизионной системы стереозрения;
— Методы учета в измерениях неустранимых рассогласований параметров
цифровой телевизионной системы стереозрения. Метод оценки качества
компенсации при измерениях рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения по статистической информации;
— Метод определения точности позиционирования при измерениях цифровой телевизионной системы стереозрения на априори неопределённой сцене. Алгоритм оптимального выбора пар ориентиров из неизвестного набора для повышения точности позиционирования с адаптацией к условиям
траекторной задачи;
— Структура цифровой телевизионной системы стереозрения с автоматической калибровкой параметров для позиционирования на априори неопределённой сцене с адаптацией к условиям траекторной задачи, реализующая
разработанные методы, модели и алгоритмы обработки видеоинформации.
Новизна полученных результатов заключается в разработке нового, принципиально отличного от имеющихся подхода определения точности измерений
и позиционирования, основанном на анализе и учёте параметров цифровой телевизионной системы стереозрения; в обосновании необходимого уровня отношения сигнал шум в телевизионном изображении для решения задач анализа
сцены с приемлемым качеством и в разработке подхода исследования параметрической связи цифровой телевизионной системы стереозрения и динамики перемещения мобильного робота.
Научно-практическая значимость полученных результатов.
1.Для получения симметричных унимодальных распределений ошибок координатных измерений необходимо ограничивать глубину измерительного
пространства ЦТСС значением диспарантности не менее 20 пикселей. При этом
отношение величины 3-х СКО ошибок измерений глубины точки к глубине измерений не превышает 4%;
2.Для обеспечения доли правильно выделенных точечных особенностей
сцены > 0,95 и доли ложно выделенных точечных особенностей < 0,05 необходимый уровень отношения сигнал шум в телевизионном изображении должен
быть выше 42 дБ.
3.Установлено, что точность продольного позиционирования зависит от
поперечного разнесения выделенных ориентиров. Модельные расчеты определения точности позиционирования на априори неизвестной сцене для ЦТСС со
стереобазой – 0,5 м, фокусным расстоянием ВК – 8 мм, размером пикселя 3
мкм, размером матрицы 1200×1600; с ограничением глубины зоны измерений
диспарантностью > 25 пикселей, при выполнении требования продолжительности наблюдения ориентиров не менее 1/3 от глубины измерений показали среднее увеличение точности позиционирования по глубине измерений при выборе
лучшей пары ориентиров по сравнению с одиночными ориентирами в 22 раза.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, аналитические
выражения для описания математической и стохастической моделей цифровой
телевизионной системы стереозрения; модели возмущающих воздействий,
имитирующих рассогласования параметров цифровой телевизионной системы
6
стереозрения; выражения для оценки точности позиционирования; компьютерное моделирование калибровки цифровой телевизионной системы стереозрения; моделирование процесса позиционирования на априори неопределенной
сцене; анализ результатов моделирования и формулировка подходов к обоснованию требований к параметрам цифровой телевизионной системы стереозрения, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Результаты диссертационной работы использовались в НИР регистрационный № 8.5764.2011 «Разработка и исследование технологий эффективной
защиты данных в интернет, персональных и сетевых геоинформационных системах»; при проведении исследовательских работ по гранту РФФИ 12-0800051_а «Стратегия оптимального выбора, ранжирования и прогнозирования
отсева пар ориентиров из априорно неизвестного набора для повышения точности позиционирования автономного мобильного робота по данным бортовой
цифровой системы стереозрения»; а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на
следующих научных конференциях: IV Всероссийской мультиконференции по
проблемам управления, «МКПУ – 2011», 3 - 8 октября 2011, с.Дивноморское
[14]; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и
управлении», «КомТех-2012», 6-8 июня 2012, Таганрог [1]; XIV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», «ПУМСС – 2012», 19-22 июня 2012, Самара [8]; XV Международной
конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах»,
«ПУМСС – 2013», 25-28 июня 2013, Самара [15]; VI Всероссийской мультиконференции по проблемам управления, «МКПУ – 2013», 30 сентября - 5 октября 2013, с.Дивноморское [13]; V Международной научной конференции
«Системный синтез и прикладная синергетика» 8 - 11 октября 2013, Пятигорск
[7,12].
Публикации. Результаты работы по теме диссертационного исследования
отражены в 15 статьях, написанных самостоятельно и в соавторстве с научным
руководителем, из которых 6 статей [1-6] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов диссертационных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
1. Приемлемая точность и объективность измерений точечных объектов наблюдаемой сцены цифровой телевизионной системы стереозрения с унимодальными симметричными распределениями ошибок измерений достигается
при ограничении измерительного пространства по глубине измерений, согласованности параметров цифровой телевизионной системы стереозрения и
обеспечении уровня отношения сигнал шум в телевизионном изображении
не ниже 42дБ;
2. Информационная и корреляционная обработка стереопары специальной сцены применимы для калибровки цифровой телевизионной системы стереозрения, контроля согласованности ее параметров во время штатной работы, а
также измерений рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения;
7
3. Повышение точности позиционирования на априори неизвестной сцене с
обеспечением преемственности измерений цифровой телевизионной системы
стереозрения достигается путем выбора пар ориентиров, удовлетворяющих
одновременно требованиям продолжительности наблюдения, одинаковой
удаленности и максимального разнесения в поперечной линии визирования
плоскости измерений.
Структура диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и двух приложений. Общий объем диссертации 200 страниц, включая 93
иллюстрации, 31 таблицу, приложения на 12 страницах, список литературы из
100 наименования на 8 листах, включающий в том числе 15 работ автора, написанных самостоятельно и в соавторстве с научным руководителем, отражающие материалы диссертации.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении сформулирована направленность исследований, изложены
предмет и цель исследований. Сформулирована научная проблема и обоснованы актуальность и практическая значимость темы. Проведен краткий анализ
существующих подходов решения научной проблемы, определены цель и основные задачи исследования, новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассмотрена математическая модель цифровой телевизионной системы стереозрения (ЦТСС). Произведён анализ измерительного пространства ЦТСС. Разработана стохастическая модель ошибок измерений точек
трёхмерной сцены, позволяющие определять параметры распределений по всем
координатам в системе, связанной с ЦТСС.
Модель ЦТСС приведена на рис.1. Пара изображений, получаемых видеокамерами (ВК), называется стереопарой. Идентичные ВК расположены так, что
их оптические оси параллельны, а прямая, проходящая через оптические центры, перпендикулярна оптическим осям. Длина базы (отрезка, заключенного
между оптическими центрами ВК) равна b. Локальная система координат, начало которой 0 расположено на базовой линии посередине между оптическими
центрами ВК имеет ось 0Z параллельную оптическим осям ВК 0вк1Zвк1 и 0вк2Zвк2,
ось 0X направлена вдоль базовой линии. Обе ВК имеют одинаковое фокусное
расстояние f.
Выберем в зоне измерений точку М с локальными координатами ( x , y , z ) .
В силу пиксельной дискретности матрицы цифровых ВК, точка трехмерной
сцены М( x , y , z ) будет проецироваться в матрице первой (левой) ВК в (iвк1, jвк1)
пиксель, а в матрице второй (правой) ВК – в (iвк2, jвк2) пиксель. Здесь первое значение iвк определяет номер элемента изображения в строке, а jвк – номер строки в кадре.
Назовем эту пару пикселей сопряженными. Для сопряженных пикселей справедливо
равенство jвк1=jвк2. Поэтому для обозначения примем запись пары смежных пикселей {iвк1, iвк2}, вместо более длинной записи {(iвк1, jвк1), (iвк2, jвк2)}. Принимаем, что
нумерация пикселей в матрице (размером N×M) производиться в порядке возрастания от 1 до N по столбцам и до M по строкам, и начинается с верхнего левого угла. Тогда точное положение главной точки в матрицах (0вк1 или 0вк2) будет определяться, как
8
æ N +1 M +1ö
0 ВК ç
,
÷.
2 ø
è 2
Рис. 1. Цифровой телевизионный стереоскопический измеритель
Порядковые номера сопряженных пикселей в матрицах (рис.1) с проекциями точки трехмерной сцены М ( x , y , z ) определяются соотношениями
ì
é
x+b ù
2ú
ï
ê
f
ï i = Int ê N + 1 z ú;
ï ВК1
ê 2
ú
Dx
ï
ê
ú
ï
ëê
ûú
ï
é
x-b ù
ï
2ú
ê
f
ï
ï
z ú;
ê N +1 i
=
Int
í ВК 2
ê 2
ú
Dx
ï
ê
ú
ï
êë
úû
ï
ï
yù
é
ï
ê M +1 f z ú
ï jВК 1 = jВК 2 Int ê=
ú,
Dy ú
ï
ê 2
ï
ë
û
ïî
где Δx, Δy ширина и высота пикселя соответственно; функция Int[…] означает
целочисленное округление такое, что Int[2,2]=2, а Int[2,5]=3.
Точечные оценки координат положения точки М в локальной системе координат при равенстве ширины и высоты пикселей Δx= Δy определяются выражениями
ì
f
ẑ = b
;
ï
(iв к 2 - iв к 1 ) D x
ï
ï
iв к 2 + iв к 1 - ( N + 1 )
ï
;
í xˆ = - b
2
i
i
(
)
вк
2
в
к
1
ï
ï
M + 1 ) - 2 jвк 1
ï yˆ = b (
.
ïî
2 ( iв к 2 - i вк 1 )
9
Величина dΔ=iвк2-iвк1 представляет цифровую (пиксельную) диспарантность.
Пиксельная дискретизация изображения фиксируемой сцены неизбежно
приводит к дискретизации ее реконструкции. Размеры реконструкции определяют величину интервальных оценок координатных измерений.
Ошибки измерений εx, εy, εz координат точки М( x , y , z ) будут определяться соотношением
ì e x = xˆ - x ;
ï
í e y = yˆ - y ;
ï e = zˆ - z .
î z
Плотность f(ɛx,y,z) распределения ошибок измерений по координатам X,Y,Z
для всего измерительного пространства будет определяться как взвешенная
сумма плотностей распределения ошибок измерения fi(ɛx,y,z) для каждой i-й элементарной области, образованной i-й парой смежных пикселей:
n
f (ex, y,z ) = åCi fi (ex, y,z ),
i=1
где n – количество элементарных объемов пространственного разрешения, образованных парами смежных пикселей; Сi – весовые коэффициенты, определяемые как отношение vi объема i-й элементарной области к объему V пространства зоны измерений
Ci =
vi
V
.
По своей сути весовые коэффициенты Сi – это вероятности попадания случайной измеряемой точки сцены в i-ю элементарную область пространственного разрешения зоны измерений.
Общее количество n элементарных объемов, образованных парами смежных пикселей с диспарантностью dΔ>1, равно
M ( N - 1 - dD )2
n=
,
2
где M и N – количество пикселей в матрицах цифровых видеокамер по вертикали и горизонтали соответственно.
Объем vi элементарных областей для фиксированной диспарантности dΔ>1
одинаков, который при равенстве Δx=Δy определяется
fb3
vi ( d D ) = 2 2
d D (d D - 1) D x .
Объем пространства зоны измерений V определяется
n
V = å vi (d D ).
i =1
Плотности fi(ɛx,y,z) распределения ошибок измерений по координатам X,Y,Z
полностью определяются геометрией элементарных областей пространственного разрешения, образованных парами смежных пикселей.
На рис.2 приводятся фрагменты расчетов плотности f(ɛz).
10
а)
б)
в)
г)
д)
е)
ж)
з)
Рис. 2. Результаты расчета f(ɛz) для различных значений диспарантности
а) dΔ=2, б) dΔ=3, в) dΔ=5, г) dΔ=7, д) dΔ=10, е) dΔ=15, ж) dΔ=25, з) dΔ=50
11
Показателем асимметрии служат вычисленные коэффициенты асимметрии
γ3, значения которых убывают с ростом диспарантности, ограничивающей глубину зоны измерений стереосистемы (рис. 3). Значения γ3 положительны, что
свидетельствует о том, что плотности распределения f(ɛz) имеют правостороннее смещение (больший вес) относительно максимума распределения.
Рис. 3. Зависимость γ3 коэффициента асимметрии f(ɛz) при ограничении глубины зоны измерений заданной диспарантностью
Исследования показали, что плотности распределения f(ɛz) унимодальные,
при малых значениях диспарантности обладают значительной асимметрией.
Однако при dΔ≥20 |γ3|<0,15 и асимметрия становится незначительной. Данное
утверждение можно использовать как один из критериев ограничения зоны измерений стереосистемы для получения приемлемых оценок измерений по глубине (координате Z).
Математическое ожидание ɛz положительно, с ростом dΔ его значение стремится к 0. Среднеквадратическое отклонение ɛz убывает с ростом диспарантности. Теоретические расчеты и эмпирические данные показали близкие результаты при определении моментов распределений. Произведена проверка гипотезы о соответствии распределения статистики ошибок измерений координаты Z
теоретической плотности распределения f(ɛz).
Установлено, что плотности распределений f(ɛx) и f(ɛy) симметричные и
унимодальные для любого значения диспарантности. Среднеквадратические
отклонения ɛx и ɛy убывают с ростом диспарантности, причем σ[ɛx]>σ[ɛy].
M[ɛx]=M[ɛy]=0.
Получены соотношения для оценки математического ожидания и среднеквадратического отклонения ошибок измерений по координате Z, соотношения
для оценки среднеквадратического отклонения ошибок измерений по координатам X, Y для условий согласованности параметров ЦТСС.
Во второй главе проведён анализ влияния возмущающих факторов на измерительное пространство цифровой телевизионной системы стереозрения и
точность измерений посредством разработанной математической модели возмущающих факторов и статистической модели ошибок измерений ЦТСС. Также проведены исследования влияния шумов и помех на качество анализа сцены
детектором точечных особенностей, в результате которых сделан вывод о необ-
12
ходимом уровне отношения сигнал шум в телевизионном изображении для его
анализа с приемлемым качеством детектором точечных особенностей.
Модель возмущающих воздействий для ЦТСС представлена на рис.4.
Здесь вектором Δ обозначены возможные рассогласования параметров ЦТСС,
возникающие из-за расфокусирования и разности дисторсий объективов, отклонений направленности ВК (на α, β, γ углы отклонений вокруг осей 0Y, 0Z и
0X соответственно) и отклонений положения ВК в системе координат ЦТСС.
Помимо проекционных искажений на телевизионный сигнал ВК SВК действуют
шумы и помехи gВК.
Влияние шумов и помех исследовалось путем изучения эффективности
анализа сцены по телевизионному изображению детектором точечных особенностей. При допустимых рисках неправильного выделения точечных особенностей в сцене и пропусков действительных, сформулированы требования к необходимому уровню отношения сигнал шум в телевизионном сигнале для анализа
сцены с приемлемым качеством. В частности было установлено, что для обеспечения доли правильно выделенных точечных особенностей > 0,95 и доли
ложно выделенных точечных особенностей < 0,05 необходимый уровень отношения сигнал шум в телевизионном изображении должен быть выше 42 дБ. Это
обстоятельство в совокупности с выводами главы 1 позволяет считать вынесенное положение о том, что приемлемая точность и объективность измерений точечных объектов наблюдаемой сцены ЦТСС с унимодальными симметричными
распределениями ошибок измерений достигается при ограничении измерительного пространства по глубине измерений, отсутствии рассогласований и обеспечении уровня отношения сигнал шум в телевизионном изображении не ниже
42дБ, доказанным.
Рис.4. Модель возмущающих воздействий ЦТСС
Для каждого проекционного искажения из Δ исследовано искривление измерительного пространства ЦТСС и пространства ошибок измерений, получены и исследованы статистические распределения ошибок координатных измерений. По результатам анализа зависимостей моментов статистических распре-
13
делений ошибок измерений от вида рассогласования в ЦТСС установлено, что
наиболее влияющими на ухудшение точности измерений являются рассогласования, возникающие при расфокусировании ВК ЦТСС, наличии остаточной
дисторсии и повороте ВК вокруг оси 0Yвк на угол α≠0.
Рассогласования, возникающие вследствие смещения оптических центров,
являются менее существенными, т.к. для оказания заметного влияния на точность измерений требуются значительные величины этих рассогласований, что
легко выявляется и устраняется с помощью простого инструментария.
Очевидно, что для повышения точности измерений ЦТСС необходимо
применять меры, направленные на устранение возмущающих воздействий путем калибровки ЦТСС. В случаях, когда при калибровке ЦТСС устранение
возмущающих воздействий физически не представляется возможным, требуется применение апробированных методик их учёта в измерениях рассогласованной ЦТСС, что также должно способствовать повышению точности измерений
и позиционирования в целом.
В третьей главе рассмотрены метод компенсации влияния рассогласований параметров ЦТСС посредством информационной и корреляционной обработки стереопары; модели и алгоритмы автоматической трёхмерной калибровки ЦТСС; методы учета в измерениях неустранимых рассогласований параметров ЦТСС; метод оценки качества компенсации при измерениях рассогласований параметров ЦТСС по статистической информации; произведены их апробации эмпирическим путём на модели ЦТСС.
Информационная и корреляционная обработки стереопары позволяют выявлять и оценивать рассогласования (несоосность – отклонения оптических
осей видеокамер (ВК) по углам α, β, γ; расфокусирование – разность фокусных
расстояний объективов ВК δf=fВК2-fВК1; и смещение оптических центров ВК
вдоль осей X - δx, Y - δy, Z - δz) ЦТСС по одной тестовой таблице (рис. 5). Полагается, что проекционные искажения в стереопаре за счет аберрации объективов скомпенсированы. Дефекты фотоматриц ВК полагаются не существенными.
Специфика обусловлена нанесением двух идентичных тестовых изображений (мишеней), геометрические центры которых (рис. 5) разнесены на величину b базы. Тестовая таблица должна размещаться в области, где поля зрений
обеих ВК не перекрываются, при этом мишень 1 попадает в поле зрения ВК1, а
мишень 2 – в поле зрения ВК2. Линия, соединяющая геометрические центры
мишеней, должна быть параллельна оси 0X. Плоскость тестовой таблицы имеет
наклон ϑ. При согласованности параметров стереосистемы фиксируемые изображения от мишеней будут идентичны. Рассогласования параметров ЦТСС
приведут к нарушению идентичности фиксируемых изображений мишеней. По
характеру и размеру этих нарушений возможно установление вида рассогласования и его оценка. Полагается, что все возможные рассогласования двух ВК в
ЦТСС можно привести к случаю рассогласования параметров 2-й ВК относительно 1-й.
14
Рис. 5. Размещение тестовой таблицы для калибровки ЦТСС
В результате проведения сравнительного анализа изображений мишеней в
стереопаре при моделировании рассогласований получены информативные
признаки соответствующих рассогласований, анализ которых свидетельствует,
что не всегда однозначно можно выявить вид рассогласования, присутствующий в ЦТСС, путем сравнительного анализа изображений стереопары. В этих
условиях для калибровки ЦТСС эффективным оказывается корреляционный
анализ изображений.
Первый метод, названный прямым методом, с использованием корреляционного анализа изображений стереопары заключается в обеспечении максимума взаимной корреляционной функции изображений SВК1 и SВК2 при управлении
настройками параметров ВК2 по компенсации рассогласований Δ. Действительно, главный максимум взаимокорреляционной функции достигается когда
изображения стереопары идентичны, и, следовательно, рассогласования Δ в
ЦТСС отсутствуют.
Вторым (имитационным) методом определения величины рассогласований, основанном на корреляционном анализе, является имитационное моделирование, когда в известную (определенную) модель ВК1 искусственно вводят (с
некоторым шагом δΔ) рассогласования Δ и получают смоделированное изображение мишени SВК1(Δ), которое сравнивают с изображением SВК2. Максимум
взаимной корреляционной функции изображений SВК1(Δ) и SВК2 дает оценку
рассогласований Δ ЦТСС. Вычисленные значения рассогласований могут быть
использованы для принятия мер по их устранению или учитываются при измерениях координат объектов наблюдаемой сцены рассогласованной ЦТСС.
15
Как в первом, так и во втором методе, рассогласования Δ будут определяться как вектор, содержащий компоненты несоосности, расфокусирования и
смещения оптического центра ВК, с размерностью 7×1. Следовательно, в общем случае взаимная корреляционная функция изображений SВК1 и SВК2 должна
находиться в семимерном пространстве рассогласований Δ. Размерность пространства взаимной корреляционной функций может быть уменьшена за счет
анализа информативных признаков рассогласований изображений стереопары.
Отсутствие каких-либо из информационных признаков рассогласований говорит об отсутствии самих этих рассогласований, и, следовательно, размерность
вектора рассогласований Δ может быть понижена. Это снижает количество регулируемых (настраиваемых) параметров ВК2 для прямого метода, или вычислительные затраты для имитационного метода.
Имитационные эксперименты проводились на модели ЦТСС с параметрами: расстояние между ВК (стереобаза) – 0,5 м; фокусные расстояния объективов ВК – 8 мм; размеры фотоматриц ВК N×M=1600×1200; линейные размеры
пикселей фотоматриц 3 мкм.
Мишени тестовой таблицы имитировались трехуровневым набором контрастных точек. На матрицах ВК1 и ВК2 находились полутоновые изображения
SВК1 и SВК2 соответствующих мишеней в 8-битной кодировке с шумами на уровне младшего разряда (соотношение сигнал/шум ≈ 42дБ). При отсутствии рассогласований в ЦТСС значение нормированного коэффициента взаимной корреляции изображений SВК1 и SВК2 по серии расчетов лежало в пределах 0,95…0,96.
Несоосность, расфокусирование и смещение оптического центра задавались для параметров 2-й ВК в пределах малых значений: для расфокусирования
-0,5…0,5 мм, для угловых параметров направления оптической оси -1…1 град и
для смещений оптического центра -1…1 см. На рис. 6 приведены примеры определения имитационным методом рассогласований ЦТСС, заданных произвольным способом (случайно) из указанных диапазонов, при размерности вектора рассогласований Δ 2×1.
а)
б)
Рис. 6. Нормированные взаимокорреляционные функции изображений SВК1 и SВК2 при рассогласованиях: а)по углу α и расфокусировании; б)по углам α и β
Точка максимума нормированной взаимокорреляционной функции изображений SВК1 и SВК2 (указана для всех приведенных на рис. 6 случаев) дает
оценку значений рассогласованности ЦТСС. Полученные оценки рассогласо-
16
ванности ЦТСС имитационным методом соответствуют заданным значениям
вектора рассогласований Δ. Для бóльших размерностей вектора рассогласований при нахождении максимума нормированной взаимокорреляционной функции изображений SВК1 и SВК2 достигались аналогичные результаты по оценке
значений вектора рассогласований ЦТСС.
Точность калибровки ЦТСС для прямого метода полностью определяется
точностью приводов, регулирующих параметры ВК2. Для имитационного метода точность определения рассогласований ЦТСС не превышает величины половины шага нахождения взаимокорреляционной функции δΔ/2.
В результате проведенных теоретических и эмпирических исследований
предложен способ калибровки ЦТСС, который предполагает использование в
сочетании информационных и корреляционных методов обработки изображений стереопары, полученных по специальной тестовой таблице. Точность калибровки ЦТСС по предложенному способу теоретически не ограничена. Отличительными особенностями предлагаемого способа калибровки ЦТСС от
существующих способов являются, во-первых, учёт после компенсации дисторсионных искажений в изображениях всех факторов, существенно влияющих на
точность измерений ЦТСС; во-вторых, в возможности получать оценки рассогласований параметров системы, если их устранение не представляется возможным; в-третьих, в возможности проведения процедуры калибровки в автономном автоматическом режиме.
Таким образом, следует считать доказанным второе положение, вынесенное на защиту, что информационная и корреляционная обработки стереопары
специальной сцены применимы для калибровки ЦТСС, контроля согласованности ее параметров во время штатной работы, а также измерений рассогласований параметров ЦТСС.
Рассмотрены и предложены механизмы учёта оценок неустраненных рассогласований при измерениях ЦТСС. Впервые предложен механизм оценки
эффективности учёта оценок рассогласований при измерениях ЦТСС, позволяющий по наблюдаемой статистике определить степень приближения параметров качества измерений рассогласованной ЦТСС к параметрам качества измерений согласованной ЦТСС при учёте в измерениях оценок рассогласований.
Эмпирическим путём показано, что при наличии рассогласований после получения и учёта в измерениях их оценок ЦТСС способна производить измерения
координат объектов сцены с приемлемым качеством.
В четвертой главе проведён анализ задачи позиционирования по измерениям ЦТСС. Предложены метод определения точности позиционирования при
измерениях ЦТСС на априорно неопределённой сцене; алгоритм оптимального
выбора пар ориентиров из неизвестного набора с адаптацией к условиям траекторной задачи; структура ЦТСС с автоматической калибровкой параметров для
позиционирования на априорно неопределённой сцене с адаптацией к условиям
траекторной задачи. Также рассмотрен подход определения параметрической
связи ЦТСС с динамикой перемещения мобильного робота.
Установлено, что точность позиционирования при выборе пары ориентиров превышает точность позиционирования по одному ориентиру, если пространственные реконструкции ориентиров приведенные к началу координат
17
цифровой телевизионной системы стереозрения, имеют ненулевое пересечение.
Полученные выражения для оценки точности позиционирования по всем координатам в системе, связанной с цифровой телевизионной системой стереозрения показывают, что максимальный выигрыш в точности позиционирования
при выборе пары ориентиров в сравнении с одним достигается при максимальном разнесении ориентиров в поперечной линии визирования плоскости измерений.
Установлено, что повышение точности позиционирования на априори неизвестной сцене с обеспечением преемственности измерений ЦТСС достигается путем выбора пар ориентиров, удовлетворяющих одновременно требованиям
продолжительности наблюдения, одинаковой удаленности и максимального
разнесения в поперечной линии визирования плоскости измерений. Это позволяет считать третье положение вынесенное на защиту доказанным.
Серия модельных экспериментов определения точности позиционирования
на сцене со случайным набором ориентиров для ЦТСС с параметрами: стереобаза – 0,5 м; фокусное расстояние ВК – 8 мм; размер пикселя 3 мкм; размер
матрицы 1200×1600, с ограничением глубины зоны измерений диспарантностью d D ³ 25 , или Zmax=55,6 м при выполнении требования продолжительности
наблюдения ориентиров не менее 1/3 от Zmax показала среднее увеличение точности позиционирования по глубине измерений при выборе лучшей пары ориентиров по сравнению с одиночными ориентирами в 22 раза.
Показано, что при ограничении по дистанции наблюдения область выбора
пар ориентиров сужается относительно линии визирования ЦТСС. В изображения стереопары такие ориентиры проецируются в небольшую центральную
часть фотоматриц, что значительно уменьшает вычислительные затраты по их
поиску за счёт сужения зоны поиска. Кроме того, уменьшение радиуса расположения смежных пикселей на изображениях стереопары относительно главной
точки фотоматриц цифровых ВК приводит к снижению влияния проекционных
искажений, возникающих вследствие дисторсии объективов ВК, что также
уменьшает вычислительные затраты по обработке изображений стереопары.
Показано, что для некоторых случаев компенсация дисторсионных искажений
на изображениях стереопары может не производиться. Также установлено, что
уменьшение зоны поиска на изображениях стереопары смежных пикселей,
фиксирующих точки-ориентиры после отсева по заданной дистанции существования, снижает требования и к аппаратной реализации ЦТСС, в частности к
объему ПЗУ для хранения всех возможных результатов измерений.
Предложен метод установления параметрической связи между бортовой
ЦТСС и предельной динамикой перемещения мобильного робота путем спектрального анализа ошибок измерений ориентиров, необходимых для позиционирования. В частности доказано, что для более быстрого перемещения мобильному роботу необходимо иметь бортовую ЦТСС способную «видеть дальше».
Предложен и проанализирован вариант структуры ЦТСС для позиционирования, которая позволяет решать задачу целенаправленного перемещения по
трёхмерной сцене среди ориентиров с определённой (вычисленной) точностью
18
позиционирования. В основу функционирования элементов предложенной
структуры ЦТСС положены разработанные и рассмотренные в работе методы и
алгоритмы, направленные на повышение точности измерений, и, как следствие,
точности позиционирования.
В заключении сформулированы основные результаты, полученные в результате работы над диссертацией, и вытекающие из них практические рекомендации.
В приложениях приведены листинги программ модели ЦТСС, алгоритмы
и устройства автоматической трёхмерной калибровки ЦТСС.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Диссертационная работа содержит решение задачи, имеющей существенное значение для обработки видеоинформации в цифровых телевизионных системах стереозрения с целью повышения точности позиционирования. Предложена структура цифровой телевизионной системы стереозрения для позиционирования на априорно неизвестной сцене с автоматической регулировкой фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер посредством информационной и корреляционной обработки стереопары с адаптацией
измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения к
условиям траекторной задачи. Основные результаты работы заключаются в
следующем:
1.1. В работе проведен анализ измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения. Получены соотношения для точечного и интервального оценивания координат точек трёхмерной сцены;
1.2. Получена стохастическая модель ошибок измерений точек трёхмерной
сцены цифровой телевизионной системы стереозрения. Произведено сопоставление вероятностной и статистической моделей ошибок измерений точек трёхмерной сцены цифровой телевизионной системы стереозрения. В частности,
доказано, что для получения симметричных унимодальных распределений
ошибок координатных измерений необходимо ограничивать глубину измерительного пространства ЦТСС значением диспарантности не менее 20. При этом
отношение величины 3-х СКО ошибок измерений глубины точки к глубине измерений не превышает 4%;
1.3. Установлено, что отношение сигнал шум в телевизионном изображении
для анализа сцены детектором точечных особенностей с долей правильно выделенных точек > 0,95 и долей ложно обнаруженных точек сцены < 0,05 должно быть не ниже 42 дБ;
1.4. Произведен анализ влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер цифровой телевизионной системы стереозрения, радиальной дисторсии
ВК на измерительное пространство цифровой телевизионной системы стереозрения и точность измерений посредством статистической модели измерений
ЦТСС;
1.5. Исследован метод компенсации влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями параметров цифровой телевизионной системы
19
стереозрения посредством информационной и корреляционной обработки стереопары. Предложен способ и устройство автоматической трёхмерной калибровки ЦТСС;
1.6. Исследован метод учёта в измерениях неустранимых рассогласований
параметров стереосистемы. Рассмотрен метод оценки качества компенсации
влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями параметров
цифровой телевизионной системы стереозрения по статистическим данным;
1.7. Проанализирована и решена задача выбора лучших ориентиров и определения точности позиционирования при измерениях цифровой телевизионной
системы стереозрения на априорно неопределённой сцене. Установлено, что
повышение точности позиционирования на априори неизвестной сцене с обеспечением преемственности измерений ЦТСС достигается путем выбора пар
ориентиров, удовлетворяющих одновременно требованиям продолжительности
наблюдения, одинаковой удаленности и максимального разнесения в поперечной плоскости измерений. В частности, точность позиционирования по глубине
измерений увеличивается в 10 раз при выборе пары равноудаленных ориентиров, разнесенных по координате Х на величину 9-ти стереобаз;
1.8. Исследовано влияние адаптации зоны поиска лучших ориентиров в стереопаре, получаемой цифровой телевизионной системой стереозрения, к условиям траекторной задачи на параметры и структуру ЦТСС;
1.9. Предложена и проанализирована структура цифровой телевизионной системы стереозрения для позиционирования на априорно неопределенной сцене с
автоматической регулировкой фокусировки, пространственной ориентации и
положения видеокамер посредством информационной и корреляционной обработки стереопары с адаптацией измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения к условиям траекторной задачи;
1.10. Предложен метод установления параметрической связи между бортовой
цифровой телевизионной системой стереозрения и предельной динамикой перемещения мобильного робота.
Научная новизна теоретических положений и результатов экспериментальных исследований, полученных автором:
2.1. Для системного решения задач исследования автором создана и впервые
представлена стохастическая модель ошибок измерений ЦТСС, позволяющая
определять качество измерений в привязке к параметрам ЦТСС.
2.2. Автором впервые произведен анализ влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер цифровой телевизионной системы стереозрения, радиальной дисторсии ВК на измерительное пространство цифровой телевизионной
системы стереозрения и точность измерений;
2.3. Впервые предложены и конструктивно проработаны технические решения,
связанные с автоматической трёхмерной калибровкой ЦТСС, основанной на
информационной и корреляционной обработке стереопары;
2.4. Предложены принципиально новые алгоритмы выбора лучших ориентиров
и определения точности позиционирования при измерениях цифровой телеви-
20
зионной системы стереозрения на априорно неопределённой сцене с учётом условий траекторной задачи;
2.5. Впервые предложен метод установления параметрической связи между
бортовой цифровой телевизионной системой стереозрения и предельной динамикой перемещения мобильного робота.
Методы исследования, достоверность и обоснованность результатов
диссертационной работы.
3.1. Разработка методов, моделей и алгоритмов обработки видеоинформации
для повышения точности позиционирования стала возможной благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования. Решение ряда новых задач, поставленных в работе, стало возможным
благодаря известным достижениям в теории цифровой обработки сигналов и
математического моделирования и не противоречит их положениям, базируется
на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как
теория вероятности, математическая статистика, теория оптимизации и планирование эксперимента.
3.2. Достоверность и обоснованность полученных результатов подтверждается
строгостью применяемого математического аппарата, использованием многократно проверенных математических моделей системы, проведёнными теоретическими исследованиями и вычислительными экспериментами, внедрением
методик и алгоритмов, широким обсуждением результатов на НТК.
Практическая и научная ценность результатов диссертационной работы
4.1. Разработанные в диссертационной работе новые положения теории обработки видеоинформации в цифровых телевизионных системах стереозрения с
целью повышения точности позиционирования, позволяют повысить эффективность проведения НИР и ОКР при создании новых образцов и модернизации
существующих, повысить качественные результаты разработок.
4.2. Полученные автором решения задач теории расчета и моделирования устройств цифровых телевизионных систем стереозрения для позиционирования
позволяют сократить объем экспериментальных исследований или полностью
их исключить, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на отработку изделий. Кроме этого,
отдельные теоретические результаты являются определенным вкладом в общую теорию моделирования телевизионных измерительных систем.
4.3. Разработанные технические решения позволяют поднять качественные показатели телевизионных измерительных устройств, повысить их точность. Идеи
некоторых оригинальных устройств могут быть использованы при проектировании новых технических систем машиностроения. Полученные теоретические
зависимости, модели, методы, алгоритмы позволяют изготовить ЦТСС позиционирования с требуемыми параметрами качества измерений.
21
Публикации по теме диссертации
В изданиях из перечня ВАК
1. Кравцов С. В. Методы учета рассогласований параметров цифровой системы стереозрения в измерениях точечных объектов наблюдаемой сцены // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 130.
№ 5. С. 199 – 205.
2. Кравцов С. В. Определение рассогласований параметров цифровой системы
стереозрения посредством информационного и корреляционного анализа изображений стереопары // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2012. Т. 129. № 4. С. 108 – 113.
3. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Анализ измерительного пространства цифровой телевизионной стереоскопической системы. Точечное и интервальное оценивание координат точек трехмерной сцены // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2011. Т. 7. № 3. С. 38-48.
4. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Анализ ошибок измерений глубины точек
трехмерной сцены цифровой телевизионной стереоскопической системой // Радиотехника. 2011. № 9. С. 83 – 93.
5. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Исследование параметрической связи динамики мобильного робота и бортовой бинокулярной системы технического зрения методом спектрального анализа // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 9. С. 15 – 18.
6. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Оптимизация выбора пар ориентиров для позиционирования по данным измерений цифровой телевизионной системы стереозрения // Электротехнические и информационные комплексы и системы.
2012. Т. 8. № 4. С. 12 – 21.
Публикации в других изданиях
7. Кравцов С. В. Взаимосвязь динамики перемещения мобильного робота с параметрами бортовой бинокулярной системы технического зрения по данным
спектрального анализа ошибок измерений // Материалы V Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» / под ред.
Т.А. Шехбузовой, И.М. Першина, А.М. Макарова – Пятигорск. ФГАОУ ВПО
«СКФУ» (филиал) в г. Пятигорске 2013. – Т. II (В трех томах). ISBN 978-5905989-27-8 – 230 с. С. 30 – 37.
8. Кравцов С. В. Выявление, оценка и компенсация рассогласований параметров цифровой системы стереозрения посредством информационного и корреляционного анализа стереопары // Проблемы управления и моделирования в
сложных системах: Труды XIV Международной конференции (19-22 июня
2012г. Самара, Россия) / Под ред.: акад. Е. А. Федосова, акад. Н. А. Кузнецова,
проф. В. А. Виттиха. – Самара: Самарский научный центр РАН, 2012. – 820 с.
С. 634 – 640.
9. Кравцов С. В. Зависимость точности идентификации точечных объектов от
рассогласований параметров стереоскопического измерителя // Информационное противодействие угрозам терроризма. 2011. № 17. С. 31 – 52.
22
10. Кравцов С. В. Метод идентификации глубины точек трехмерной сцены цифровой телевизионной стереоскопической системой // Информационное противодействие угрозам терроризма. 2011. № 17. С. 92 – 105.
11. Кравцов С. В. Теоретические основы точечной и интервальной идентификации координат объектов трехмерной сцены // Информационное противодействие угрозам терроризма. 2011. № 17. С. 19 – 30.
12. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Задача позиционирования мобильного робота
по данным измерений бортовой системы цифрового стереозрения // Материалы
V Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» / под ред. Т. А. Шехбузовой, И. М. Першина, А. М. Макарова – Пятигорск. ФГАОУ ВПО «СКФУ» (филиал) в г. Пятигорске 2013. – Т. II (В трех
томах). ISBN 978-5-905989-27-8 – 230 с. С. 57 – 64.
13. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Калибровка бинокулярной системы технического зрения посредством корреляционного анализа стереопары // Шестая Всероссийская мультиконференция по проблемам управления (30 сентября – 5 октября 2013 г.) // Материалы мультиконференции в 4 т. – Ростов-на-Дону: Издво ЮФУ, 2013. Т2. – 228с. С. 210 – 214.
14. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Оценка точности позиционирования мобильного робота по двум точечным измерениям бортовой системы цифрового стереозрения. 4-я Всероссийская мультиконференция по проблемам управления //
Материалы 4-й Всероссийской мультиконференции. Т.2. – Таганрог: Изд-во
ТТИ ЮФУ, 2011. – 444с. С. 219 – 221.
15. Румянцев К. Е., Кравцов С. В. Стратегия позиционирования мобильного робота по данным измерений бортовой системы цифрового стереозрения // Проблемы управления и моделирования в сложных системах: Труды XV Международной конференции (25-28 июня 2013г. Самара, Россия) / Под ред.: акад. Е. А.
Федосова, акад. Н. А. Кузнецова, проф. В. А. Виттиха. – Самара: Самарский научный центр РАН, 2013. – 708 с. С. 609 – 614.
23
Подписано к печати 24.12.2013 г.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать оперативная.
Усл. п.л. - 1,12. Заказ № 367. Тираж 100 экз.
Типография ЮФУ в г. Таганроге
347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44.
24
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
2 189 Кб
Теги
0c54ea9414, uploaded
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа