Диссертация (Цифровая обработка телевизионных изображений для обнаружения препятствий на подстилающей поверхности в условиях фотометрических искажений)

ЯРОСЛАВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. П.Г. ДЕМИДОВАНа правах рукописиЛебедев Илья МихайловичЦифровая обработка телевизионных изображенийдля обнаружения препятствий на подстилающей поверхностив условиях фотометрических искаженийДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукпо специальности 05.12.04 Радиотехника, в том числе системы иустройства телевиденияНаучный руководитель – д.т.н., доцент Приоров Андрей ЛеонидовичЯрославль – 2016ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ РАСПОЗНАВАНИЯПРЕПЯТСВИЙ ..................................................................................................

131.1. Вводные замечания .................................................................................... 131.2. Телевизионные измерительные системы................................................. 201.2.1. Особенности телевизионных измерительных систем ......................... 201.2.2. Информативность оптического изображения ...................................... 231.3. Задача распознавания образов ..................................................................

261.4. Формирование изображения на матрице телевизионной камеры ........ 321.4.1. Модель камеры-обскура ......................................................................... 321.4.2. Внутренние параметры телекамеры...................................................... 331.4.3. Оценка расстояния до объекта при использовании монокулярнойсистемы ..............................................................................................................

361.5. Краткие выводы.......................................................................................... 38ГЛАВА 2. АЛГОРИТМ ОБНАРУЖЕНЯ ПРЕПЯТСВИЙ НА ОСНОВЕАНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЯ С ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ ................. 402.1. Вводные замечания .................................................................................... 402.2. Основные требования к системе и оборудованию ................................. 412.2.1. Ограничения на модель подстилающей поверхности .........................

412.2.2. Подбор характеристик телекамеры ....................................................... 432.3. Выделение области интереса .................................................................... 432.3.1. Кластеризация областей интереса ......................................................... 452.4. Структурная схема и описание этапов работы системы ........................ 482.4.1. Упрощенная схема работы алгоритма .................................................. 4822.4.2. Расчет моделей подстилающей поверхности ....................................... 532.5.

Алгоритм удаления тени ........................................................................... 562.5.1. Введение в теорию .................................................................................. 602.5.2. Калибровка изображения методом минимизации энтропии ..............

642.5.3. Алгоритм восстановления служебного изображения ......................... 672.6. Навигация в помещении ............................................................................ 702.6.1. Использование цветовых маяков........................................................... 722.6.2. Расчет маршрута с учетом препятствий ............................................... 782.7.

Краткие выводы.......................................................................................... 79ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСВИЙ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ........ 813.1. Вводные замечания .................................................................................... 813.2. Автонастройка внутренних параметров системы ................................... 853.3. Исследование параметров освещения, влияющих на работу системы 923.3.1. Исследование влияния типа внешнего освещения на точность работысистемы ..............................................................................................................

923.3.2. Изучение влияния интенсивности освещения на точностьобнаружения ...................................................................................................... 943.4. Изучение влияния шума на работу системы ........................................... 963.4.1. Виды используемых шумов ................................................................... 963.4.2. Влияние уровня шума на точность обнаружения ................................ 993.5. Изучения влияния числа кластеров на точность работы ..................... 1013.6. Изучения влияния контрастности на точность работы ........................

1033.7. Исследование влияния цветовой системы на точность работы системыобнаружения .................................................................................................... 10633.8. Краткие выводы........................................................................................ 109ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ АЛГОРИТМАОБНАРУЖЕНИЯ ПРЕПЯТСТВИЙ .............................................................. 1124.1.

Вводные замечания .................................................................................. 1124.2. Структурное описание виртуальной среды ........................................... 1134.3. Модель мобильной платформы в виртуальной среде .......................... 1164.4. Формирование стратегии поведения модели мобильнойроботизированной платформы в виртуальной среде ..................................

1194.5. Интерфейс программы............................................................................. 1204.6. Примеры работы системы в реальных условиях .................................. 1224.7. Краткие выводы........................................................................................ 124ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................................................... 125СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................... 128ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СВИДЕТЕЛЬСТВА О РЕГИСТРАЦИИ ПРОГРАММДЛЯ ЭВМ И АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ .................

1394ВВЕДЕНИЕАктуальность темы. В настоящее время информационные технологиимассововнедряютсяинтеллектуальныхвразныетранспортныхобластисистемжизни.позволяетИспользованиерешитьзадачуповышения уровня безопасности движения. В настоящее время наблюдаетсяповышение интереса к автоматизации работ внутри помещений, несмотря насложность поставленной задачи. Для этого, прежде всего, требуетсяобеспечить беспрепятственное передвижение мобильной платформы [40].Создание системы обнаружения препятствий внутри помещений схорошей точностью может значительно улучшить работу существующихсистем.

В совокупности с системой навигации внутри здания [50] можноприйти к созданию полноценной системы автоматизированного складскоготерминала для переноса товаров из точки хранения в пункт выдачи илисортировки. Разработанный алгоритм может быть применен к работе и вуличныхусловияхосуществляющихдлясозданияуправление.Такжеавтомобилей,подобногосамостоятельнородаалгоритмыспособствуют замене человеческих ресурсов в опасных для жизни условияхпри работе с автономными мобильными платформами.

[19].Для решения задач обнаружения препятствий на текущий моментсоздано большое число систем, использующих различные физическиеявления и разнообразные датчики. Единственно правильного решения дляобнаружения всевозможных препятствий в различных условиях пока несуществует [10]. Анализ литературы показал, что в настоящее времянаиболее распространены следующие системы:ультразвуковые датчики [24];лазерные дальномеры [14, 16];различные методы прикладного телевидения:oанализа текстуры [12, 28];oиспользование стереоскопических систем [15, 26, 28];5oиспользование оптического потока [10, 61];oдатчиков на основе Kinnect [39].Большинство этих датчиков при их использовании не способныобнаружить плоские и мелкие препятствия. Так, они не способны отличитьасфальтовое покрытие от прилегающей к нему обочины.

Ультразвуковыедатчики, имеющие весьма невысокую цену, не позволяют составитьполноценную карту препятствий для определения оптимального маршрута.Они также подвержены переотражениям сигнала. Лазерные дальномеры ирадары достаточно дороги в использовании, так же, как и система Kinnect.Методы расчета оптического потока и анализа текстуры накладываютсущественные ограничения на окружающее пространство, а методыстереоскопического зрения требуют намного больше вычислительныхресурсов.Большой вклад в цифровую обработку телевизионных изображенийвнесли как отечественные ученые – В.Т. Фисенко [53], М.Л. Местецкий [35],В.П. Дворкович, А.В.

Дворкович [19, 55], М.К. Чобану [56], В.Н. Козлов [27],В.Н. Гридин [18], В.Ю. Визильтер [40], А.Л. Приоров [34, 59], так изарубежные – L. Shapiro [57], R. Gonzalez [17], R. Woods [17], G. Finlayson[76], C. Wöhler [100], R. Szeliski [96], D. Maier [85, 86].Анализ литературы показал, что наибольший интерес представляютсистемы, использующиеалгоритмы прикладноготелевидения. Такиесистемы используют видимую часть электромагнитного спектра, котораяудобна для практического применения [23]. Для работы в этом диапазонеможно ограничиться обычной недорогой телекамерой, которую легко найти вкомпьютерном магазине.На сегодняшний день системы прикладного телевидения широкоиспользуются для выполнения различного рода измерительных работ: диагностика улично-дорожной сети [12]; обнаружение пешеходов [22];6 обнаружение препятствий на взлѐтно-посадочной полосе [26]; предотвращение столкновений на железных дорогах [28]; обнаружение препятствий перед наземным мобильным объектом [15].Все перечисленные системы, использующие методы прикладноготелевидения для выполнения своей задачи, анализируют конкретный видпрепятствия, не решая задачу в общем случае.В связи с этим предложена система прикладного телевидения на основецифровойобработкиизображениядлярешениязадачобнаруженияпрепятствий в помещении автономной мобильной роботизированнойплатформой(МРП).характеризующимВтакойпрепятствие,системеявляетсяосновнымцветоваяпризнаком,информация,чтопозволяет различать типы подстилающей поверхности.