Метод, алгоритмы и бинокулярное оптико-электронное устройство с переменным фокусным расстоянием для трехмерного зрения мобильного транспортного робота

• Автор: Полунин, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 05.13.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Курск
• Количество страниц: 124 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ РЕКОНСТРУКЦИИ ТРЕХМЕРНОЙ РАБОЧЕЙ СЦЕНЫ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМИ УСТРОЙСТВАМИ, УСТАНОВЛЕННЫМИ НА МОБИЛЬНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ РОБОТАХ
1Л Постановка задачи, анализ методов трехмерного технического зрения для мобильных транспортных роботов
1.2 Анализ методов и оптико-электронных устройств трехмерного технического зрения для подвижных систем
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ БИНОКУЛЯРНЫМ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ УСТРОЙСТВОМ С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ ТРЕХМЕРНОГО ЗРЕНИИЯ МОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО РОБОТА
2.1 Модель расположения оптико-электронных датчиков бинокулярного оптико-электронного устройства
2.2Модель ввода изображений от оптико-электронных датчиков бинокулярного оптико-электронного устройства
2.3 Мод ель фильтрации шума на изображении
2.4 Модель сегментации изображения на отдельные объекты
2.5 Модели обнаружения и сопоставления характерных точек
2.6Модель предварительной оценки дальности
2.7Модель вычисления трехмерных координат точки рабочей сцены
2.8Модель обнаружения объектов в пространстве рабочей сцены
2.9Модель получения детализированных изображений объектов рабочей
сцены
2.10. Калибровка и уточнение пространственного положения
бинокулярного оптико-электронного устройства
2.11 Обобщенный алгоритм функционирования бинокулярного оптикоэлектронного устройства с переменным фокусным расстоянием
3 МЕТОД, АППАРАТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ И РАЗРАБОТКА БИНОКУЛЯРНОГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО УСТРОЙСТВА С ПЕРЕМЕННЫМ ФОКУСНЫМ РАССТОЯНИЕМ ДЛЯ ОЧУВСТВЛЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТНОГО РОБОТА
3.1 Оценка погрешности вычисления трехмерных координат бинокулярным оптико-электронным устройством с переменным фокусным расстоянием
3.2Метод формирования трехмерной модели рабочей сценысбинокулярным оптико-электронным устройствомс переменным
фокусным расстоянием
3.3Аппаратно-ориентированный алгоритм формирования трехмерной модели рабочей сцены бинокулярным оптико-электронным устройством с
переменным фокусным расстоянием
3.4Аппаратно-ориентированный алгоритм обнаружения объектов и
вычисления их трехмерных координат
3.5 Структурно-функциональная организация бинокулярного оптикоэлектронного устройства с переменным фокусным расстоянием для трехмерного очувствления мобильного транспортного робота
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1 Аппаратно-программный стенд для проведения испытаний
4.2 Методика проведения экспериментальных исследований
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Задача пространственного очувствления робототехнических устройств и систем посредством автоматического построения трехмерной рабочей сцены по поступающим с оптико-электронных датчиков двумерным изображениям является востребованной для многих областей практического применения в науке и промышленности.
Данному направлению посвящены исследования российских и зарубежных ученых и научных школ, в частности, В.А.Сойфера, Я.А.Фурмана,
В.В. Найханова, Р. Гонзалеса, Р. Харалика, С. Тсаи, П. Ванга, Р. Вудса.
В настоящее время исследованы методы трехмерного очувствления робототехнических устройств на основе принципа бинокулярного зрения с использованием предварительно настроенной посредством калибровки пары идентичных оптико-электронных датчиков (ОЭД), расположенных на известном расстоянии друг от друга и с ориентированными взаимно параллельно главными оптическими осями.
Существенным ограничением, затрудняющим развитие бинокулярных оптико-электронных устройств (ОЭУ), является относительная высокая вычислительная сложность используемых методов, алгоритмов и реализованных на их основе аппаратно-программных средств. В наибольшей степени указанное ограничение характерно для мобильных автономных систем с ограниченными вычислительными ресурсами, особенно при необходимости решения на этих же ресурсах других задач, связанных с очувствлением робототехнической системы. Другим недостатком существующих устройств бинокулярного зрения является относительно низкая точность определения параметров пространственного положения и распознавания объектов на больших расстояниях, что обусловлено необходимостью реализации широкого

обоих ОЭД, могут не совпадать между собой. При расчетах и построении математической модели, метода и алгоритмов, учитывается дополнительно, что оптические системы обоих ОЭД имеют аберрации, среди которых наиболее значительно на погрешности вычисления трехмерных координат точек рабочей сцены влияет радиальная дисторсия, что представлено в нижеследующих параграфах.
Рис. 2.2 - Расположение ОЭД бинокулярного ОЭУ (а) и формирование проекции точки пространства рабочей сцены на плоскости изображения ОЭД

Далее рассмотрим математическую подмодель, представляющую формирование изображения матричным приемником изображения оптикоэлектронного датчика и его последующее аналого-цифровое преобразование, позволяющие сформировать двумерную матрицу значений яркостей рабочей сцены, которая и является изображением 1(у)(х,у), где индекс V здесь и далее означает номер ОЭД, а переменные х и у, изменяющиеся в диапазоне от 1 до