بخشی از مقاله
چکیده
موضوع ردیابی اهداف، یکی از مهمترین موضوعات در علم بینایی کامپیوتر است. امروزه سیستمهای ردیابی کاربردهای وسیعی مانند ردیابی اجسام در محیطهای صنعتی، سیستم ناوبری اتاق عمل و حفظ تعادل آونگ معکوس بر روی ربات پرنده دارند. منظور از ردیابی، تخمین موقعیت فضایی اجسام هدف است. موقعیت هر جسم در فضا شامل سه پارامتر است و این در حالی است که هر دوربینی قادر به ارائه دو بعد از فضا است. در این مقاله برای حل این مسئله، از دو دوربین رسپبریپای با روش بینایی استریو استفاده میشود.
از سوی دیگر تصویربرداری در شرایط نوری رنگی علاوه بر تغییرات زیاد نور محیط، دارای محاسبههای سنگینی است. ما به منظور کاهش بار محاسباتی از نورپردازی مادونقرمز برروی نشانگرهای بازتابنگر مادونقرمز، برای مقابله با تغییرات نوری محیط و کاهش بار محاسباتی استفاده میکنیم. در ادامه، موقعیتیابی با روش مثلثبندی بر روی تصاویر استریو انجام میشود. بهمنظور کاهش فضای جستجوی نقاط هدف متناظر در دو نما، از قیود اپیپولار استفاده میشود. نتایج ما نشان داد، سیستم ردیابی نوری پیشنهادی با دقت در حدود 2 میلیمتر و سرعت بالا، محل نشانگرهای مادونقرمز را تخمین میزند.
.1 مقدمه
بینایی کامپیوتر یکی از ابزارهای قوی برای درک صحنه توسط ماشین است. یکی از مباحث مهم در بینایی کامپیوتر، ردیابی اجسام بهمنظور درک صحنه است. منظور از ردیابی، تشخیص اجسام موردنظر در تصویر و تخمین موقعیت این اجسام در فضای سهبعدی است. اگرچه سابقه ردیابی اشیاء به مسائل نظامی برمیگردد ولی امروزه به دلیل کاربردهای بسیار گستردهی ردیابی اشیاء در زمینههای مختلف، این مقوله و جوانب مختلف آن موردتوجه ویژهای قرارگرفته است. ازجمله کاربردهای سیستم ردیابی عبارتاند از: ردیابی اجسام در محیطهای صنعتی، کاربردهای پزشکی - سیستم ناوبری2 اتاق عمل - و حفظ تعادل آونگ معکوس بر روی ربات پرنده. در کاربردهای اشارهشده، نظارت با استفاده از دوربینهای ثابت انجام میشود.
از سوی دیگر در سیستمهای ردیابی، باید به محدودیتهای فضای مسئله نیز توجه کرد. محیط درنظر گرفتهشده ممکن است داخل یا خارج ساختمان باشد که وابسته به شرایط نوری متفاوت، سیستم ردیابی، متفاوت خواهد بود .[1] علاوه بر این، تغییر اندازه اشیای مورد ردیابی، تغییر نور محیط و وجود نویز باعث میشود که یک الگوریتم جامع ردیابی و نظارت، مؤثر واقع نشود. به همین دلیل هر روش ردیابی برای کاربردی خاص ارائه میشود.
برای تخمین موقعیت فضایی اجسام باید دو نما1از صحنه موجود باشد. ازاینرو به حداقل دو دوربین برای استخراج پارامترهای فضایی جسم از روی تصاویر نیاز است. قرارگیری این دو دوربین نسبت بههم باید مشخص باشد. برای این کار از کالیبراسیون استفاده میشود. منظور از کالیبراسیون، تعیین پارامترهای دوربین ازجمله مختصات نقطه اصلی،2 فاصله کانونی دوربین و انحراف صفحه تصویر3است. هدف از این کار به دست آوردن رابطهای میان مختصات سهبعدی و مختصات دوبعدی تهیهشده توسط دوربینها است.
این تبدیلها از رابطهی چرخش و انتقال جهت ارائهی ارتباط بین فضای سهبعدی و تصویر دوبعدی استفاده میکنند. قدم بعدی پیدا کردن نقاط نظیر، در دو تصویر است. این مرحله بسیار هزینهبر است زیرا برای به دست آوردن تطابق هر نقطه از تصویر بر روی تصویر دیگر باید کل پیکسلهای تصویر دوم پیمایش شود که این کار زمانبر است. برای کاهش فضای جستجو از ماتریس اساسی استفاده میشود .[2] با پیدا کردن نقاط ویژگی در دو تصویر و استفاده از تطابق بین آنها، یک ماتریس اساسی تشکیل میشود. با استفاده از این ماتریس هر نقطه از تصویر اول به خطی متناظر در تصویر دوم تبدیل میشود .
حال پیدا کردن نقاط متناظر در تصاویر سریعتر صورت میگیرد. مرحلهی بعدی پیدا کردن مراکز نشانگرهای گویشکل، در هر دو تصویر است که سبب میشود. چهار نقطه در هر تصویر به دست بیاید. هر نقطه در هر تصویر با استفاده از ماتریس اساسی با یک خط در تصویر دیگر متناظر است. نزدیکترین نقطه به هر خط، نشاندهندهی منطبق بودن با نقطهی مربوط به آن خط در تصویر دیگر است. بعد از یافتن چهار تطابق نقاط مراکز نشانگرها، موقعیت این نقاط در فضا با استفاده از روش مثلثبندی به دست میآید .[3] در این کار پژوهشی با استفاده از دو دوربین ثابت نصبشده در داخل محیط آزمایشگاهی موقعیت نشانگرهای مادونقرمز تعیین میشود.
2. سختافزار
سختافزار سیستم ردیابی پیشنهادی، شامل دو دوربین رسپبریپای مادونقرمز 8 مگا پیکسل4، دو برد رسپبریپای، چهار پروژکتور مادونقرمز، چهار نشانگر مادونقرمز5، سویچ6و یک رایانه برای پردازش است. این دوربینها به برد رسپبری وصل میشوند. برای دسترسی به هر دو برد بهصورت همزمان، باید کامپیوتر و دو برد را بهصورت شبکهای تنظیم نمود. در اینجا از شبکه اترنتی7استفاده شده است.
ابتدا یک آدرس پروتکل اترنتی مخصوص را برای دستگاه رایانه و برای هرکدام از بردهای رسپبری یک آدرس پروتکل تعریف کردیم. سپس با استفاده از یک دستگاه سویچ، بهراحتی میتوان به دو برد دسترسی پیدا کرد. دوربینها در یک صفحه و یک راستا، قرار دارند و فضای کاری مورد نظر را پوشش میدهند. در کنار هر دوربین دو پروژکتور مادونقرمز نصب شده است - شکل . - 1
3. آشنایی با نحوه عملکرد
در - شکل - 6 کلیه مراحل بصورت دیاگرامی نشان داده شده است. ابتدا کالیبراسیون دوربینها انجام میشود. سپس بر پایه هندسه استریو، ماتریس اساسی بین دو نما تخمین زده میشود. در نهایت موقعیت نشانگرها در فضای دوبعدی تخمین زده میشود. با استفاده از نتایج این مراحل با روش مثلثبندی موقعیت فضایی هر نشانگر تخمین زده میشود.
.1-3 کالیبراسیون
در قدم اول کالیبراسیون دوربینها انجام میشود. هدف از این کار، تخمین ماتریسهای داخلی و ماتریس خارجی دوربینها است. پس از این مرحله استریو کالیبراسون انجام میشود. در این مرحله جهت و نحوه قرارگیری دوربینها نسبت به هم به دست میآیند. در نهایت ماتریس افکنش از فضای سهبعدی به فضای دوبعدی صفحهی تصویر دوربین، بدست میآید .[4] کالیبراسیون دوربینها با جعبهابزار متلب و بر پایه روش ژانگ انجام شده است .[6 ,5] در - شکل 6 الف - مراحل کالیبراسیون بهصورت دیاگرامی نشان داده شده است.
.2-3 هندسه بینایی استریو
در بینایی استریو با داشتن دو تصویر از یک صحنه و بر مبنای تطابق استریو به استخراج عمق میپردازند. در این روش برای یافتن مختصات سهبعدی یک نقطه در فضا با حداقل دو دوربین باید نقطهی موردنظر را در یک تصویر مشخص کرد و نظیر این نقطه در تصویر دیگر را یافت. توسط این تناظر و خط مبنای این دو دوربین میتوان مختصات دوبعدی را به دست آورد .[7] یافتن نقطهی متناظر در نمای دیگر کاری هزینهبر است. از اینرو برای کاهش فضای جستجو از خطوط اپیپولار استفاده میشود . ابتدا باید ماتریس اساسی بین دو نما محاسبه شود.
میتوان با حل مجموعهای از معادلات که مربوط به تعداد مشخصی نقاط متناظر در دو تصویر هستند، ماتریس اساسی این جفت تصویر را به دست آورد. حداقل تعداد نقاط متناظر برای این کار هفت نقطه است .[8] با استفاده از ماتریس اساسی هر نقطه در یکی از دونما، به خطی روی نمای دیگر نگاشت میشود. با توجه به - شکل - 2 نگاشت نقطهی دلخواه m در صفحهی تصویر دوربین سمت چپ، روی خط اپیپولار در صفحهی تصویر دوربین سمت راست است. برعکس نگاشت نقطهی در تصویر دوربین سمت راست، روی خط اپیپولار l واقع است. در - شکل 6 ب - مراحل یافتن ماتریس اساسی بهصورت دیاگرامی نشان داده شده است.
