<<
>>

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Анализ изображений трехмерных объектов и синтеза виртуальных трехмерных сцен, соответствующих реальному физическому пространству, является весьма актуальным и востребованным для многих задач в области создания автономных робототехнических транспортных решений и задач дополненной и совмещенной реальности.

Аспект вычисления трехмерных координат, позиций, оптических и иных свойств объектов важен в первую очередь для построения системы трехмерных объектов со связями, определяющими их взаимное местоположение.

Задача синтеза трехмерной виртуальной сцены и распознавания объектов рабочей сцены в реальном масштабе времени востребована в промышленности для построения автоматических устройств транспортировки объектов на складе, цехе, значительном по объему и площади пространстве, иных промышленных объектов в условиях динамически меняющейся обстановки в расположении объектов.

Данная задача является комплексной и состоит из ряда подзадач, тесно и неразрывно связанных между собой: а именно - задачи трехмерного очувствления, задачи анализа и распознавания трехмерных данных, задачи вычисления трехмерных координат.

Направлению исследования решения задач, связанных с трехмерным пространственным зрением в условиях динамически меняющейся обстановки и стационарных условиях посвящены работы ряда ученых и научных школ, в частности, В.А.Сойфера, Я.А.Фурмана, Р.Гонзалеса, Р.Харалика, Liping Zheng,

Lucien Reeves, Woodham, Horn.

К настоящему времени в достаточной мере исследованы вопросы трехмерного технического зрения в условиях стационарного положения оптико-электронных датчиков и вычисления трехмерных координат объектов в условиях предварительно откалиброванных бинокулярных оптико­электронных систем. Также в достаточной мере для текущих задач промышленности и прикладных задачи исследованы вопросы вычисления параметров объектов при их наблюдении с единственной позиции при известных обобщенных формах анализируемого трехмерного объекта.

Однако, в ряде практических случаев, связанных с анализом объектов на значительных по объему и площади пространстве, возникает задача вычисления их трехмерных координат при априори не определенных параметрах оптико-электронных датчиков и бинокулярных оптико­электронных устройствах с нестационарным положением оптико-электронных датчиков.

При этом, задача вычисления параметров трехмерных объектов в условиях априорной неопределенности положения оптико-электронных датчиков (ОЭД) весьма востребована, особенно в условиях множественных источников видеоданных и потенциального перемещения объектов рабочей сцены. Однако, известные методы не обеспечивают достаточной точности вычисления трехмерных координат при априори некалиброванных ОЭД.

Таким образом, сложилось противоречие между необходимостью повышения точности трехмерных параметров рабочих сцен и вычисления пространственных связей между объектами в условиях протяженных и значительных по объему пространств и низкой точностью известных оптико­электронных устройств трехмерного технического зрения.

В этой связи актуальной научно-технической задачей является разработка математической модели, метода, алгоритмов и специализированного модульного оптико-электронного устройства для трехмерного технического зрения, обеспечивающего повышение точности вычисления пространственных координат объектов.

Диссертационная работа выполнена в рамках грантов Президента: для поддержки научных школ - НШ-2357.2014.8 «Исследование и разработка комплексного анализа видеоизображений для задач управления сложными техническими системами на основе адаптивных нейро-нечетких систем вывода с мягкими вычислениями».

Целью работы является повышение точности вычисления трехмерных параметров объектов рабочей сцены в условиях априори неопределенного положения оптико-электронных датчиков посредством разработки новых математической модели, метода, алгоритмов обработки изображений и создания модульного оптико-электронного устройства.

Научно-техническая задача и цель декомпозированы на следующие частные задачи диссертационного исследования:

- анализ методов и вычислительных устройств анализа, сопоставления и передачи изображений для вычисления параметров положения объектов в трехмерном пространстве;

- разработка математической модели вычисления параметров пространственного положения объектов рабочей сцены в условиях произвольного местоположения оптико-электронных датчиков;

- разработка структурно-функциональной организации модульного оптико-электронного устройства трехмерного технического зрения для вычисления параметров объектов трехмерной рабочей сцены и

синтеза виртуальной модели пространства;

- проведение экспериментальных исследований и анализ полученных результатов.

Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы распознавания образов, методы обработки и анализа растровых изображений, основы теории цепей и сигналов, схемотехники, статистики.

Новыми научными результатами и положениями, выносимыми на защиту, являются:

1) Математическая модель построения трехмерной рабочей сцены, основанная на бинокулярном техническом зрении с несколькими ОЭД, реализующими стереопары, отличающаяся возможностью реализации трехмерного зрения при априори некалиброванных параметрах взаимного положения ОЭД, дополнительным повышением точности вычисления координат точек и поверхностей объектов за счет процедур калибровки;

2) Метод и алгоритм формирования трехмерной модели объектов рабочей сцены, отличающиеся возможностью обработки серии изображений объекта, полученных при априори неизвестных точках наблюдения за счет введения процедур адаптивной калибровки пар оптико-электронных датчиков, позволяющие сформировать объемную модель объектов рабочей сцены;

3) Алгоритм калибровки модульного устройства технического зрения на базе двух оптико-электронных датчиков с неизвестным взаимным положением, обеспечивающий возможность реализации трехмерного технического зрения;

4) Структурно-функциональная организация модульного оптико­электронного устройства трехмерного технического зрения для обработки изображений, поступающих с территориально распределенных источников видеоданных, отличающаяся введением модулей сегментации, вычисления спектральных признаков, вычисления взаимного положения, синтеза объектов рабочей сцены, обеспечивающего вычисление и анализ параметров объектов рабочей сцены в реальном масштабе времени.

Объект исследований - методы обработки изображений в устройстве анализа изображений и вычисления пространственных координат объектов.

Предмет исследований - вычислительные устройства для анализа изображений трехмерных рабочих сцен.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- обоснован и апробирован новый метод формирования трехмерной модели объектов рабочей сцены при наблюдении объектов с нескольких точек, отличающийся повышенной по сравнению с аналогами точностью;

- создан макет вычислительного модуля на базе портативного вычислительного средства, обеспечивающий решение задач вычисления признаков объектов для задач их последующего распознавания и анализа.

Результаты работы внедрены в ЗАО «Скинер», ООО «ТехаргосСпецсистемы» и используются в учебном процессе Юго-западного государственного университета по учебным дисциплинам «Цифровая обработка и анализ изображений», «Современные проблемы науки и производства».

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.1 «Разработка научных основ создания и исследования общих

свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления» и п.2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик» паспорта специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления.

Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.1 «Разработка научных основ создания и исследования общих свойств и принципов функционирования элементов, схем и устройств вычислительной техники и систем управления» в части разработки аппаратных модулей для вычисления параметров примитивов объектов рабочей сцены и построения метода и устройства синтеза трехмерной сцены наблюдаемого рабочего пространства и п.2 «Теоретический анализ и экспериментальное исследование функционирования элементов и устройств вычислительной техники и систем управления в нормальных и специальных условиях с целью улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик» паспорта специальности 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления в части создания новых математической модели, метода, алгоритмов и устройства для вычисления параметров объектов рабочей сцены для решении задачи их анализа и распознавания, а также улучшения эксплуатационных характеристик оптико-электронного устройства за счет повышения точности вычисления трехмерных координат объектов..

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и российских конференциях, семинарах, симпозиумах: на Международных

научно-технических конференциях «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» «Распознавание - 2017, 2019» (г. Курск), на

Всероссийских НТК в г. Орле в Академии ФСО в 2013, 2015, 2016, 2017 гг., на международной научно-технической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование систем» (г. Москва) в 2016, 2017, 2018 гг., на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Юго-западного государственного университета с 2012 по 2019гг.

Публикации. Результаты проведенных исследований и разработок опубликованы в 11 печатных работах, в том числе 3 статьях в журналах, рекомендованных перечнем ВАК.

Личный вклад автора. Все выносимые на защиту научные результаты получены соискателем лично. В работе [81] соискателем предложены математическая модель и алгоритмы обработки изображений при вычислении параметров трехмерных объектов по изображениям с нескольких оптико­электронных датчиков. В работе [68] соискателем разработаны алгоритм и аппаратным модуль кодирования визуальной информации при вычислении первичных признаков объектов (контура, сегменты изображений) и их передаче в единый центр обработки в разработанном оптико-электронном устройстве. В [69] представлен алгоритм распределения времени передачи данных при множественных источниках изображений для их единой обработки. В [70] Разработаны алгоритмы и аппаратные решения исключения из дальнейшей обрабтки неинформативных и помеховых данных на изображениях при вычислении параметров трехмерного положения объектов рабочей сцены. В [54] предложен алгоритм калибровки оптико-электронных датчиков разработанной системы технического зрения. В [61] предложен

алгоритм взаимного определения координат при калибровке оптико­электронных датчиков при их неизвестном априорном положении. В [77] Разработан алгоритм вычисления трехмерных координат объектов и сопоставления объектов рабочей сцены. В [62] соискателем предложены способ, алгоритм передачи пакетов изображений при анализе объектов с нескольких точек изображений, обеспечивающие формирование первичных данных для построения трехмерной рабочей сцены в реальном времени. В [58] разработан подход вычисления внешних и внутренних параметров калибровки оптико-электронных датчиков системы технического зрения. В [82] предложена структурно-функциональная организация модульного территориально распределенного устройства трехмерного технического зрения. В [85] разработаны модели и программного обеспечение для экспериментальных исследований вычисления трехмерных координат в системе технического зрения при внесении шума и иных искажающих воздействий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 87 наименований источников, изложена на 107 страницах и поясняется 14 рисунками и 2 таблицами.

1

<< | >>
Источник: Фролов Михаил Михайлович. МЕТОД, АЛГОРИТМЫ И МОДУЛЬНОЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ТРЕХМЕРНОГО ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ С МНОЖЕСТВЕННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ИЗОБРАЖЕНИЙ. ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук. Курск - 2019. 2019

Еще по теме ВВЕДЕНИЕ:

  1. ВВЕДЕНИЕ
  2. ВВЕДЕНИЕ
  3. ВВЕДЕНИЕ
  4. ВВЕДЕНИЕ
  5. Введение
  6. ВВЕДЕНИЕ
  7. ВВЕДЕНИЕ
  8. ВВЕДЕНИЕ
  9. Твердость порошковых алюмокомпозитов системы А1-3масс.%М- 1масс.%Cu, АМмасс^^ и A1-4масс.%Mg с наномодификаторами
  10. Предел прочности на растяжение порошковых алюмокомпозитов с наномодификаторами
  11. Предел прочности на изгиб порошковых алюмокомпозитов системы с наномодификаторами
  12. 3.4 Исследование процесса спарк-плазменного спекания порошковых алюмокомпозитов системы Л1-3масс.%М-1масс.%Си с наномодификаторами