Диссертация (1149687)
Текст из файла
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТНа правах рукописиКривоконь Дмитрий СергеевичМАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМОЦЕНКИ ПОЛОЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМРАНДОМИЗИРОВАННЫХ АЛГОРИТМОВСТОХАСТИЧЕСКОЙ ОПТИМИЗАЦИИСпециальность 05.13.11 —«Математическое и программное обеспечение вычислительных машин,комплексов и компьютерных сетей»Диссертация на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорГРАНИЧИН Олег НиколаевичСанкт-Петербург — 20162ОглавлениеСтр.Введение.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1. Оценка положения объектов при помощи камеры4. . . .131.1Трехмерная реконструкция при помощи фото и видео камер . . .131.2Проективная модель наблюдения камерой . . . . . . . .
. . . . . .161.3Методы трехмерной реконструкции201.4Алгоритмы компьютерного зрения в задачах оценки положенияобъекта. . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26Глава 2. Рандомизированные алгоритмы оценки координатдвижущегося объекта2.12.22.3. . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . .30Рандомизация для определения положения движущегося объекта302.1.1Проблемы при решении задачи для общего случая . . . . .302.1.2Описание подхода32. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Рандомизированный асимптотический наблюдатель дляобратной глубины объекта . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .342.2.1Алгоритм. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .372.2.2Сходимость оценок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Рандомизированный алгоритм оценки положения объекта. . . .402.3.1Алгоритм. . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .432.3.2Сходимость оценок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44Глава 3. Система отслеживания и оценки положения объекта. .493.1Структура комплекса и основные объекты. . . . . . . . . . . .
.503.2Детектирование и сопоставление особых точек . . . . . . . . . . .523.3Оценка положения камеры и наблюдаемых объектов54. . . . . . .33.4Калибровка камеры3.5Детали использования комплекса и визуализация. . . . . . . . .573.6Имитационное моделирование . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .603.6.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Тестирование рандомизированного асимптотическогонаблюдателя для обратной глубины3.6.2. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Полевой экспериментЗаключение .62Использование фильтра Калмана для улучшениярезультатов3.760Тестирование рандомизированного алгоритма оценкиположения объекта .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3.6.35665. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .68. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .77Список литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .80. . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93Список рисунковСписок таблиц4ВведениеАктуальность темы исследования. Задача оценки положения движущихся и статичных объектов возникает во множестве прикладных областей.Сейчас становится популярной разработка устройств и интеллектуальных систем, отслеживающих в реальном времени положения объектов окружаюшегомира и использующих эту информацию для разнообразных целей.
Это могутбыть автомобили с встроенными системами помощи водителю, которые предупреждают его о возможных столкновениях или помогают ему при парковке, разнообразные роботы, основывающие свое движения на построении картыокружения и препятствий, а также пользовательские устройства по типу очков,в которых в реальное изображение, получаемое с видеокамеры, встраиваетсядополнительная информация, так или иначе полезная человеку. Устройства, используемые для решения такого рода задач, становятся дешевле и компактней,что позволяет создавать системы, пригодные для широкого круга пользователей, как ценой, так и простотой использования.
Появление новых вычислительных устройств порождает потребность в создании новых методов, позволяющихточнее, быстрее и с меньшими затратами осуществлять оценку положения объектов.Степень разработанности темы исследования.В настоящее времядля решения задачи оценки положения объекта существует множество различных способов, отличающихся как используемым в них оборудованием, так ипрограммными компонентами (см., например, работы Р. Клейна и Д. Маррея,Р. Ньюкомба, С.
Кохльбрехера). Можно выделить некоторые популярные решения. К примеру, в системах на основе светового обнаружения и определениядальности (лидар) используется подход с активным наблюдением. Такие системы состоят из излучателя, который испускает направленный луч света нанаблюдаемые объекты, и приемника, регистрирующего отраженные лучи. Вы-5числение расстояния в таких системах может происходить на основе известноговремени отклика или же на основе разницы фаз посылаемого и принимаемогосигналов. Простейшие системы такого рода предназначены лишь для вычисления расстояния до точки, на которую направлен луч источника, и используютсяв основном в промышленных приложениях.
Более сложные системы позволяют производить сканирование наблюдаемой области, за счет которого можнополучать полноценные трехмерные модели наблюдаемого окружения. В них кизлучателю и приемнику добавляется механически контролируемое зеркало, засчет движения которого и происходит сканирование. В целом, системы, основанные на таком оборудовании, достаточно дорогостоящие и применяются вузком классе задач.Более доступным решением задачи оценки положения являются подходы,основанные на использовании видео- и фото- камер. Популярно использованиеодновременно нескольких камер, за счет синхронизации и взаимной калибровкикоторых, можно оценивать положения объектов при помощи методов триангуляции, которые в своей сути являются методами поиска пересечений лучей втрехмерном пространстве (работы Б.
Лукаса, Т. Канаде). В эту же категориюможно отнести, ставшие в последнее время популярными, подходы совмещающие инфракрасную камеру и проектор. Это тоже в своем роде стерео системы, в которых проектор проецирует на наблюдаемое окружение фиксированноеизображение, созданное таким образом, чтобы его легко можно было точно локализовать на кадрах, получаемых с видео камеры. Используя информацию оположении проекций точек сгенерированного изображения на проекторе и камере, положения наблюдаемых объектов могут быть восстановлены на основестерео методов.Также существуют системы использующие лишь одну камеру. Сюда впервую очередь следуют отнести приложения, в которых не требуется оценкаположения движущихся объектов.
В таких условиях для реконструкции наблюдаемого окружения достаточно одной камеры, которая находится в движении6(работы Р. Хартли, О. Д. Фаурегаса, Ф. Лустмана, Д. Г. Арсеньева, В. М. Иванова, Н. А. Берковского). На самом деле такую движущуюся камеру можно рассматривать как стерео систему, в которой отдельные камеры представлены ееположениями в разные моменты времени. Используя, к примеру, два соседнихкадра из видео потока, положения статичных объектов на них можно восстановить при помощи все тех же алгоритмов стерео-зрения. Кроме систем работающих со статичным окружением существуют системы, предназначенные дляоценки положения движущихся объектов, также использующие одну камеру(работы П.
Штурма, М. Хана, Т. Канаде). Для их успешной работы необходимо чтобы были выполнены некоторые существенные ограничения на возможноедвижения объекта. Так, например, предполагая, что объект движется в плоскости, зная положение этой плоскости относительно камеры, можно восстановитьположение объекта на основе методов проективной геометрии. Или же, предполагая что объект движется с постоянной скоростью, можно воспользоватьсяметодами факторизации матрицы измерений.Так или иначе методы, основанные на использовании одной камеры сейчас достаточно ограничены в своих приложениях к задаче оценке положенияименно движущихся объектов.
При этом простота таких систем избавляет ихот ряда проблем, присущих другим подходам. К примеру в случае использования стерео систем из двух или более камер, неизбежно возникает проблема постоянной калибровки их взаимного положения, если не делать которую,точность оценки положения объекта будет неудовлетворительной. В системах,использующих другие сенсоры отличные от видео камер, возникает вопрос цены. Качественные лазерные дальномеры и подобные им устройства находятсяв настоящий момент в совершенно другой ценовой категории по сравнению свидеокамерами, и являются мало доступными для широкого круга пользователей, а те что имеют приемлемую цену, дают совсем посредственные результатыпо точности оценки.
Понятно, что методы, решающие задачу оценки положе-7ния движущегося объекта на основе изображения, получаемого с одной камеры,найдут множество приложений на практике.Объектом исследованияявляются модели, методы, алгоритмы и про-граммные средства, предназначенные для оценки положения движущихся объектов на основе визуальной информации.Предметом исследования являет-ся разработка, реализация и обоснование алгоритмов решения задачи оценкиположения движущихся объектов при помощи одной камеры.Задача оценки положения с использованием видеокамеры является типичной задачей наблюдения.
В ней наблюдающим объектом является камера,с которой с некоторой фиксированной частотой получаются кадры, содержащие изображения объектов окружающего мира. На основе этих изображенийтребуется оценка реального положения наблюдаемых объектов. Наблюдениячаще всего зашумлены, при этом часто про характер этих помех практическиничего не известно. Математически такого рода задачи можно представить ввиде задач оптимизации, где в качестве оптимизируемой функции выступаетзначение невязки зашумленных измерений и текущего предсказания наблюдений на основе оценки параметров модели.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
