intTypePromotion=3

Luận văn:Nghiên cứu các kỹ thuật Camera Calibration và ứng dụng xác định khoảng cách giữa các đối tượng trong không gian 3D

Chia sẻ: Nhung Thi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

0
101
lượt xem
34
download

Luận văn:Nghiên cứu các kỹ thuật Camera Calibration và ứng dụng xác định khoảng cách giữa các đối tượng trong không gian 3D

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Để có thể lựa chọn được loại phù hợp với nhu cầu của gia đình, văn phòng công ty đến một hệ thống camera quan sát cho công xưởng, xí nghiệp rộng lớn, người sử dụng đều cần phải có những hiểu biết cần thiết các thông số kỹ thuật của . Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại trong nhà hoặc ngoài trời như: ,,

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nghiên cứu các kỹ thuật Camera Calibration và ứng dụng xác định khoảng cách giữa các đối tượng trong không gian 3D

  1. 1 B GIÁO D C VÀ ĐÀO T O Đ I H C ĐÀ N NG --- --- NGUY N TH TH M NGHIÊN C U CÁC K THU T CAMERA CALIBRATION VÀ NG D NG XÁC Đ NH KHO NG CÁCH GI A CÁC Đ I TƯ NG TRONG KHÔNG GIAN 3D Chuyên ngành: Khoa h c máy tính Mã s : 60.48.01 TÓM T T LU N VĂN TH C SĨ K THU T Đà N ng - Năm 2012
  2. 2 Công trình ñư c hoàn thành t i Đ I H C ĐÀ N NG Ngư i hư ng d n khoa h c: TS. Huỳnh H u Hưng Ph n bi n 1: PGS. TSKH. Tr n Qu c Chi n Ph n bi n 2: TS. Nguy n M u Hân Lu n văn s ñư c b o v trư c H i ñ ng ch m lu n văn t t nghi p th c sĩ ngành Khoa h c máy tính h p t i Đ i h c Đà N ng vào ngày 15 tháng 12 năm 2012. Có th tìm hi u lu n văn t i: - Trung tâm Thông tin - H c li u, Đ i h c Đà N ng. - Trung tâm H c li u, Đ i h c Bách Khoa, Đ i h c Đà N ng.
  3. 3 M Đ U 1. Tính c p thi t c a ñ tài Các h th ng s d ng camera v i m c ñích giám sát, nh n d ng, an ninh, ñi u khi n... ngày càng ph bi n và ñư c s d ng r ng rãi. V n ñ xác ñ nh ñúng kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D góp ph n tăng tính chính xác trong vi c phát hi n, ñi u khi n các hành vi c a các h th ng ñó. Tuy nhiên, m t s phương pháp tính kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D các h th ng camera b c l m t s h n ch nh t ñ nh. Do ñó, gi i pháp ñ t ra là: l a ch n k thu t phù h p ñ tính chính xác kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. Hi n nay, có nhi u k thu t ñư c áp d ng ñ xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D, m i k thu t có nh ng th m nh và h n ch riêng. Hi u ch nh camera (camera calibration) là m t k thu t ñang ñư c tri n khai s d ng trong các h th ng l n b i nhi u tính năng ưu vi t giúp ñ y nhanh t c ñ và hi u qu c a vi c xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. Đó là lý do mà tôi ch n nghiên c u và th c hi n ñ tài “Nghiên c u các k thu t camera calibration và ng d ng xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D” dư i s hư ng d n c a TS. Huỳnh H u Hưng.
  4. 4 2. M c tiêu nghiên c u Đ tài nghiên c u các thu t toán phát hi n ñ i tư ng, các k thu t hi u ch nh camera t ñó tính kho ng cách gi a các ñ i tư ng chuy n ñ ng t d li u video, làm cơ s ñ xây d ng chương trình h tr v i các ch c năng sau: - Phát hi n ñ i tư ng ñang chuy n ñ ng. - Tính kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. Bên c nh ñó ñ tài cung c p m t cái nhìn toàn di n hơn v vai trò và kh năng ng d ng c a công ngh x lý nh vào trong th c t c a ñ i s ng xã h i. 3. Đ i tư ng và ph m vi nghiên c u Đ i tư ng nghiên c u Trong lu n văn này, d li u ñư c x lý là các ño n video ñư c quay t m t camera tĩnh ghi l i v i chu n AVI (Audio Video Interleave). Ph m vi nghiên c u Nghiên c u thu t toán phát hi n ñ i tư ng chuy n ñ ng, các k thu t hi u ch nh camera và ng d ng xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. 4. Phương pháp nghiên c u Phương pháp nghiên c u lý thuy t - Tìm hi u cách l p trình v i thư vi n OpenCV. - Tìm hi u phương pháp phát hi n ñ i tư ng d a trên màu s c.
  5. 5 - Tìm hi u phương pháp l c nhi u. - Tìm hi u k thu t hi u ch nh camera và ng d ng ñ xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng chuy n ñ ng trong không gian 3D. Phương pháp nghiên c u th c nghi m - Ti n hành phân tích và cài ñ t: thu t toán phát hi n ñ i tư ng chuy n ñ ng d a trên màu s c, k thu t hi u ch nh camera, t ñó xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng chuy n ñ ng. - Đánh giá k t qu ñ t ñư c. 5. Ý nghĩa khoa h c và th c ti n Ý nghĩa khoa h c - K t qu nghiên c u có th làm tài li u tham kh o cho vi c tìm hi u thu t toán phát hi n ñ i tư ng d a trên màu s c, ng d ng k thu t hi u ch nh camera ñ xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. - ng d ng thành công công ngh x lý nh vào th c t . - T o ti n ñ cho nh ng nghiên c u ti p theo trong tương lai. Ý nghĩa th c ti n - Giao thông v n t i: D a vào d li u camera thu ñư c ñ xác ñ nh l i vi ph m kho ng cách t i thi u cho phép gi a các ñ i tư ng tham gia giao thông, ñ c bi t là trong các h th ng ñư ng h m.
  6. 6 - Y t : S d ng h th ng camera ñ giám sát ho t ñ ng u ng thu c, giám sát hành vi ăn t i c a ngư i cao tu i, t ñó có thông báo k p th i cho nhân viên y t . - Công nghi p s n xu t t ñ ng: ng d ng ñi u khi n robot d a trên công ngh x lý nh, nh n bi t yêu c u c a ngư i ñi u khi n thông qua màu s c. 6. B c c lu n văn N i dung c a lu n văn ñư c chia thành các ph n như sau: - M ñ u - Chương 1: Nghiên c u t ng quan - Chương 2: Các k thu t hi u ch nh camera trong th giác máy tính - Chương 3: ng d ng k thu t camera calibration xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D - K t lu n và hư ng phát tri n CHƯƠNG 1. NGHIÊN C U T NG QUAN 1.1. T NG QUAN V CAMERA S 1.1.1. Khái ni m v camera s Camera là m t thi t b ghi hình có th ghi l i nh ng hình nh trong m t kho ng th i gian nào ñó và lưu tr các d li u hình nh này.
  7. 7 1.1.2. Phân lo i camera Có 3 cách phân lo i camera: k thu t hình nh, ñư ng truy n, tính năng s d ng. a. Phân lo i theo k thu t hình nh b. Phân lo i theo k thu t ñư ng truy n c. Phân lo i theo tính năng s d ng 1.1.3. H th ng camera quan sát 1.2. T NG QUAN V VIDEO 1.2.1. Khái ni m v video 1.2.2. Video s (digital video) a. Tín hi u video s b. Ưu và như c ñi m c a video s c. Chu n video s AVI 1.3. PHƯƠNG PHÁP PHÁT HI N Đ I TƯ NG 1.3.1. T ng quan v phát hi n ñ i tư ng Phát hi n ñ i tư ng chuy n ñ ng trong video là m t trong các bài toán ñư c nghiên c u r ng rãi và có nhi u ng d ng trong cu c s ng hi n nay. Đó là xácminh s hi n di n c a ñ i tư ng trong chu i nh và cũng có th ñ nh v chính xác. Các h th ng theo v t ñ i tư ng thư ng b t ñ u b ng quá trình phát hi n ñ i tư ng.
  8. 8 1.3.2. Gi i thi u các mô hình màu Có nhi u mô hình màu khác nhau dùng ñ bi u di n màu s c trong máy tính như: RGB, HSV, HSL, HIS. Trong ñó, RGB và HSV là hai mô hình màu thông d ng. 1.3.3. Mô hình màu RGB Mô hình màu RGB (red, green, blue) g m màu ñ , màu xanh lá cây, màu xanh bi n, ánh sáng ñư c t h p theo nhi u phương th c khác nhau ñ t o ra hàng lo t màu. Hình 1.1. Mô hình màu RGB. 1.3.4. Mô hình màu HSV Hình 1.2. Không gian màu HSV.
  9. 9 HSV (hue, saturation, value) vi t t t c a hue (màu s c), saturation (ñ bão hòa), value (giá tr ). Hình 1.3. Hình nón ngư c bi u di n mô hình màu HSV. Th c ch t c a không gian HSV là s bi n ñ i c a không gian RGB. Không gian HSV ñư c mô t b ng l nh l p phương RGB quay trên ñ nh Black. H (Hue) là góc quay tr c V (value) qua hai ñ nh Black và White . 1.3.5. Chuy n t màu RGB sang HSV 1.3.6. Mômen nh (image moment) 1.3.7. Thu t toán phát hi n ñ i tư ng d a vào màu s c
  10. 10 1.3.8. Cài ñ t thu t toán phát hi n ñ i tư ng d a vào màu s c Hình 1.4. Qu bóng màu xanh và k t qu phát hi n nó. 1.4. PHƯƠNG PHÁP L C NHI U 1.4.1. T ng quan v phương pháp l c nhi u 1.4.2. C i thi n nh (L c không gian) a. Các thao tác lân c n b. Quá trình l c không gian c. L c không gian làm m n (Smoothing spatial filters) 1.4.3. L c trung v (Median filter) a. Gi i thi u b. Đ nh nghĩa c. Cách dùng
  11. 11 Hình 1.5. Nhi u và l c nhi u. CHƯƠNG 2. CÁC K THU T HI U CH NH CAMERA TRONG TH GIÁC MÁY TÍNH 2.1. GI I THI U K THU T CAMERA CALIBRATION Camera calibration là phương pháp tính toán và th c nghi m nh m tìm ra các tham s c a camera ñ tái t o không gian 3D c a m t c nh, m t v t th nào ñó trong th c t b ng nh ng nh mà camera ñó ghi l i ñư c. Đ có ñư c nh ng tham s ñó, các tính toán ch y u d a vào mô hình camera thông d ng nh t hi n nay: mô hình Pinhole camera. 2.2. PINHOLE CAMERA 2.2.1. T ng quan 2.2.2. Mô hình hình h c c a Pinhole camera a. Tham s bên ngoài
  12. 12 b. Tham s bên trong Hình 2.1. Mô hình camera Pinhole thông qua hai h t a ñ . 2.2.3. Phép chi u chuy n ñ i c a camera Pinhole 2.3. CÁC H TH NG THU NH N TRONG KHÔNG GIAN BA CHI U 2.3.1. Hình h c epipolar 2.3.2. H th ng thu nh n ba chi u kinh ñi n (Canonical Stereoscopic System)
  13. 13 Hình 2.2. H th ng 2 camera kinh ñi n. H th ng 2 camera kinh ñi n v i ñ dài tiêu c f, kho ng cách cơ s b. S khác bi t gi a t a ñ xl và xr ñư c g i là ñ l ch ngang gi a các ñi m pl và pr. Hình 2.3. Camera stereo kinh ñi n. 2.3.3. Đ l ch trong trư ng h p chung 2.4. T ng quan v Stereo Vision 2.4.1. T ng quan Stereo vision là k thu t s d ng hai camera ñ ño kho ng cách gi a các ñ i tư ng. C u hình ñơn gi n nh t (c u hình stereo
  14. 14 chu n) s d ng hai camera th ng hàng và cách nhau theo phương ngang (Hình 2.7). Hình 2. 4. C u hình chu n c a h th ng hai camera. S d ng camera stereo này, chúng ta có th thu ñư c hình nh c a ñ i tư ng t i hai v trí khác nhau: nh bên trái và nh bên ph i c a ñ i tư ng (s chênh l ch). Các nh c a các camera ñư c phân tích ñ tìm các ñi m chung. S d ng quy t c tam giác ñ ng d ng và ñ l ch c a các ñi m chung ñ xác ñ nh kho ng cách (ñ sâu) so v i camera. 2.4.2. Kho ng cách trên tr c Y 2.5. PHƯƠNG PHÁP CALIBRATION CHU N Camera calibration (hi u ch nh camera) là quá trình tìm ki m các tham s bên trong và tham s bên ngoài c a camera. Các phương pháp calibration kinh ñi n d a trên mô hình calibration ñ c bi t, t c là ta bi t ñư c kích thư c và v trí ñ i tư ng trong m t h t a ñ nh t ñ nh. Các ñ c trưng khác (ch ng h n như góc, ñư ng...) ñư c tách t nh c a mô hình hi u ch nh camera.
  15. 15 Thông thư ng, các ñ i tư ng ñư c l a ch n ñ hi u ch nh camera ph i có các tính năng n i b t ñ d ño v trí. Ch ng h n, m t bàn c ñơn gi n như hình sau: Hình 2.5. Bàn c làm mô hình camera calibration. Hình 2.6. H t a ñ c a mô hình camera calibration. 2.6. T HI U CH NH (SELF- CALIBRATION) 2.7. HI U CH NH STEREO
  16. 16 CHƯƠNG 3. NG D NG K THU T CAMERA CALIBRATION XÁC Đ NH KHO NG CÁCH GI A CÁC Đ I TƯ NG TRONG KHÔNG GIAN 3D 3.1. T NG QUAN V BÀI TOÁN XÁC Đ NH KHO NG CÁCH GI A CÁC Đ I TƯ NG 3D CHUY N Đ NG QUA CAMERA Xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng chuy n ñ ng qua camera là bư c quan tr ng trong phát tri n các ng d ng th giác máy tính. Nó có nhi u ng d ng trong các lĩnh v c như: Giao thông v n t i, y t , công nghi p s n xu t t ñ ng. 3.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC Đ NH KHO NG CÁCH GI A CÁC Đ I TƯ NG TRONG KHÔNG GIAN 3D Hi n nay có nhi u phương pháp xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng trong không gian 3D. 3.2.1. Kho ng cách Euclid 3.2.2. Kho ng cách t m t ñi m ñ n m t m t ph ng 3.3. NG D NG K THU TCAMERA CALIBRATION 3.3.1. Các ng d ng cơ b n c a camera calibration T vi c tính toán ñư c các ñ c ñi m c a v t qua nh, ta có th tái t o l i c nh 3D c a v t, nh n d ng v t. Chúng ta ng d ng k thu t camera calibration ñ cài ñ t các chương trình t ñ ng x lý các công vi c yêu c u ph i thông qua hình nh.
  17. 17 a. T ñ ng nh n d ng bi n s xe (Automatic license plate recognition) Hình 3.1. Nh n d ng bi n s xe. b. Phát hi n m t ngư i d a trên các ñ c trưng Haar-Like Hình 3.2. Phát hi n m t ngư i d a vào ñ c trưng Haar-Like.
  18. 18 c. Xác ñ nh t a ñ tĩnh. Hình 3.3. Xác ñ nh t a ñ tĩnh c u Wanan (Busan, Hàn Qu c). d. Đo giao ñ ng th c Hình 3.4. Thi t b ño dao ñ ng c u. 3.3.2. ng d ng k thu t camera calibration tính kho ng cách Chương trình xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng chuy n ñ ng l y d li u t ño n video quay l i t m t camera tĩnh, ghi l i
  19. 19 v i chu n AVI. Đi u ki n ánh sáng bình thư ng, không quá t i ho c quá sáng, n n không thay ñ i. Sau khi có d li u ñ u vào chương trình s x lý ño n video ñ l y t t c khung hình (frame). Ti p ñó, t m i khung hình có ñư c, ta ti n hành phát hi n ñ i tư ng, tìm t a ñ tr ng tâm c a ñ i tư ng và quy ñ i nó ra t a ñ th c d a vào k thu t hi u ch nh camera (camera calibration). Cu i cùng, chúng ta tính kho ng cách gi a các ñ i tư ng 3D. Video ñ u vào X lý ño n video ñ l y t t c các khung nh (Frame) Phát hi n ñ i tư ng Xác ñ nh khung bao và t a ñ tâm ñ i tư ng Xác ñ nh kho ng cách gi a các ñ i tư ng Hình 3.5.Bi u ñ x lý bài toán xác ñ nh kho ng cách. 3.3.3. M t s ch c năng chính Phát hi n ñ i tư ng theo màu s c, v hình ch nh t bao ñ i tư ng. Tâm ñ i tư ng là tâm hình ch nh t bao ñ i tư ng.
  20. 20 Load Image Dùng inRange() xác ñ nh khu v c ch a ñ i tư ng theo ngư ng màu Chuy n nh thu ñư c sang nh phân Kh nhi u b ng l c trung v Dùng cvFindContour() xác ñ nh các vùng liên thông Dùng cvBoundingRect() v hình ch nh t bao các contour Khu v c có hình bao l n nh t chính là ñ i tư ng Hình 3.6. Phát hi n ñ i tư ng theo màu s c.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản