Разработка и исследование метода определения высоты объектов по одиночному некалиброванному перспективному изображению

• Автор: Слободин, Илья Борисович
• Шифр специальности: 05.13.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил

Оглавление

Структура диссертации

Введение

Глава 1. Анализ состояния проблемы

1.1. Обоснование применения компьютерного зрения

1.1.1. Активные устройства.

1.1.2. Пассивные устройства

. Использование изображений для измерения и реконструкции.

1.2.1. Сложности в применении методов визуальной метрологии

1.2.2. Недостатки фотограмметрических методов .

1.2.3. Измерения по одиночному изображению.

1.2.4. Измерения по двум изображениям .
1.2.5. Измерения по трем и более изображениям
1.3. Основные понятия проективной геометрии.
1.3.1. Обозначения.
1.3.2. Однородные координаты.
1.3.3. Точечная камера.
1.3.4. Двойное отношение.
1.3.5. Гомография
1.3.6. Бесконечно удаленные точки
1.3.7. Бесконечно удаленные прямые
Оглавление
1.4. Анализ ошибок .
1.4.1. Ковариационные матрицы огратшенных величин
1.4.2. Метод распространения ошибок.
1.4.3. Статистическое оценивание в задачах компьютерного зрения .
1.4.4. Определение параметров геометрической модели.
1.4.5. Вычислительные схемы.
1.4.6. Теоретический предел точности
1.4.7. Оценка максимального правдоподобия.
1.4.8. Линейная геометрическая модель.
1.4.9. Ренормализация.
1.4 Инвариа1гтносгь анализа ошибок.
Глава 2. Измерение высоты объекта
2.1. Введение
2.2. Постановка задачи.
2.3. Геометрический метод решения
2.3.1. Последовательность вычислений
2.3.2. Определение вертикальной бесконечно удаленной точки и горизонтальной бесконечно удаленной прямой.
2.3.3. Определение эталонной точки
2.3.4. Определение высоты объекта.
2.3.5. Анализ ошибок
2.3.6. Недостатки геометрического метода
2.3.7. Достоинства метода определения параметров геометрической модели
2.4. Решение методом определения параметров геометрической модели
2.4.1. Последовательность этапов
2.5. Определение бесконечно удаленной точки пучка прямых.
Оглавление
2.5.1. Постановка задачи.
2.5.2. Теоретический предел точности
2.5.3. Алгоритм вычисления теоретического предела точности.
2.5.4. Оценка максимального правдоподобия
2.5.5. Алгоритм вычисления оценки максимального правдоподобия .
2.5.6. Геометрическая коррекция точек пучка
2.6. Определение бесконечно удаленной прямой базовой плоскости
2.6.1. Постановка задачи .
2.6.2. Теоретический предел точности
2.6.3. Алгоритм вычисления теоретического предела точности
2.6.4. Оценка максимального правдоподобия
2.6.5. Алгоритм вычисления оценки максимального правдоподобия .
2.7. Определение эталонных точек на прямой изображения объекта
2.7.1. Определение оценок эталонных точек.
2.7.2. Определение теоретического предела точности
2.8. Определение томографии.
2.8.1. Постановка задачи.
2.8.2. Теоретический предел точности
2.8.3. Алгоритм вычисления теоретического предела точности
2.8.4. Оценка максимального правдоподобия
2.8.5. Алгоритм вычисления оценки максимального правдоподобия .
2.9. Определение высоты объекта.
2.9.1. Определение теоретического предела точности
2.9.2. Определение оценки высоты объекта
Глава 3. Экспериментальное исследование
3.1. Постановка задачи
3.1.1. Подбор экспериментального материала
Оглавление
3.2. Численное моделирование на синтетических изображениях.
3.2.1. Постановка задачи
3.2.2. Определения
3.2.3. Краткое описание вычисляемых величин.
3.2.4. Синтетическая модель.
3.2.5. Зашумленная сцена.
3.2.6. Определение бесконечно удаленной точки пучка прямых .
3.2.7. Определение бесконечно удаленной прямойПО
3.2.8. Геометрическая коррекция точек пучка.
3.2.9. Определение эталонных точек на прямой изображения объекта . .
3.2 Определение томографии
3.2 Определение высоты объекта
3.2 Ручной выбор точек на синтетическом изображении.
3.2 Измерение высоты при использовании различных эталонов
3.2 Зависимость от фокусною расстояния камеры.
3.3. Коррекция радиальной дисторсии
3.3.1. Формулы преобразования
3.3.2. Определение коэффициентов радиальной дисторсии
3.3.3. Объектив .ЗснитарМ
3.3.4. Обьектив Юпитср2М
3.4. Реальные изображения
3.4.1. Реальная сцена 1.
3.4.2. Реальная сцена 2.
3.4.3. Описание экспериментов.
Глава 4. Программная реализация метода и его практическое
применение
4.1. Программная система измерения высоты i
Оглавление
4.1.1. Представление данных
4.1.2. Пользовательский ннтерфйс.
4.1.3. Измерение высоты
4.1.4. Программа определения параметров радиальпой днсторсии
4.2. Применение метода
4.2.1. Измерение высоты лкадей.
4.2.2. Измерение высоты архитектурных объектов.
Заключение
Литература


Изображения или последовательности изображений несут большое количество геометрической информации об изображенных на них объектах. В настоящее время разработаны и продолжают разрабатываться разнообразные методы измерений по изображениям. Необходимость в таких методах обусловлена наличием широкого круга задач, в которых входными данными являются изображения. В ряде случаев полное трехмерное восстановление объекта либо невозможно, либо в нем нет необходимости. Например, при восстановлении архитектурных объектов по сохранившимся архивным фотографиям часто невозможно полностью восстановить трсххерную структуру. В то же время информация о высотах или отношениях высот элементов архитектурного объекта является важной составляющей для понимания структуры объекта. Как и все инженерные задачи, процесс измерения по изображениям должен быть точен и надежен. На исходные данные и преобразования неизбежно оказывают влияние ошибки, следовательно полученный результат также подвержен ошибкам. Необходим механизм измерения, содержащий методы обработки ошибок и позволяющий не только получить измерение, но и оценить его точность. Целью настоящей диссертации является разработка и исследование метода измерения высоты объектов по одиночному неклиброванному перспективному изображению. Для определения высоты должно быть достаточно одного изображения. Изображение может быть некалиброванным, т. Метод должен работать при неизвестных абсолютных значениях статистических параметров входных данных. Формулировка задачи определения высоты объектов по одиночному некалиброванному перспективному изображению. Разделение задачи на последовательность этапов, каждый из которых представляет собой задачу определения параметров линейной геометрической модели. Изучение областей применения метода. В основе работы, представленной в настоящей диссертации, лежит проективная геометрия . Основные законы перспективной проекции были впервые формализованы Евклидом и впослсдегвии применялось математиками и художниками Эпохи Возрожедния, одним из выдающихся представителей которых является Леонардо Да Винчи. Строгое аксиоматическое построите проективная геометрия приобрела в работах Клейна, Гильберта 3,4 и др. Дальнейшее развитое проективная геометрия получила с появлением задач компьютерного зрения. Существующая абстрактная математическая теория была плохо применима для проведения вычислений, играющих важную роль в задачах компьютерною зрения. К. Канатани переформулировал положения проективной геометрии, основной целью определив простоту и гибкость проведения вычислений. Теория получила название вычислительная проективная геометрия. Статистический анализ ошибок является ключевым фактором в прикладных задачах компьютерного зрения. В К. Канатани разработал статистичссхую теорию вычислительной проективной геометрии, целью которой являлось строгое математическое обоснование задач оценивания и численной оптимизации при вычислении геометрических величин на основании неточных данных. Разработан метод определения высоты объекта по одиночному некалиброванному перспективному изображению. Разработанный метод решения задачи определения высоты объекта не требует знания абсолютных значений статистических параметров исходных данных. Исследованы статистические параметры полученных величин. При помощи численного моделирования на синтетических изображениях проведено сравнение теоретически предсказанных статистических параметров и полученных при помощи метода МонтеКарло. Разработаны рекомендации по применению метода определения высоты в реальных задачах. В списке возможных приложений находятся реставрационное проектирование и криминалистика. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6й Всероссийской с участием стран СНГ конференции Методы и средства обработки сложной графической информации, Нижний Новгород, сентябрь г. По теме диссертации опубликованы работы 8,9. Еще одна статья прошла рецензирование и принята в печать журналом ii I i. Применение метода определения высоты в реальных задачах.