ON-LINE SLEDOVÁNÍ POHYBUJÍCÍHO SE PŘEDMĚTU S VYUŽITÍM DIGITÁLNÍ KAMERY ON-LINE TRACKING OF MOVING OBJECT USING DIGITAL CAMERA



Podobné dokumenty
PROGRAMOVÁNÍ ROBOTŮ LEGO MINDSTORM S VYUŽITÍM MATLABU

Měření průtoku kapaliny s využitím digitální kamery

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

Robotický LEGO seminář na FEL ČVUT v Praze

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

METODICKÝ LIST 1. Název výukové aktivity (tématu): 2. Jméno autora: Ing. Petr Hořejší, Ph.D., Ing. Jana Hořejší 3. Anotace:

ROBOTICKÝ POPELÁŘ. Jan Dimitrov, Tomáš Kestřánek. VOŠ a SPŠE Františka Křižíka Na Příkopě 16, Praha 1

METODICKÝ LIST. Výklad: Seznámení se se stavebnicí, ukázky jiných projektů a možností stavebnice

Studentská tvůrčí a odborná činnost STOČ 2015

DETEKCE HRAN V BIOMEDICÍNSKÝCH OBRAZECH

Vyhodnocení 2D rychlostního pole metodou PIV programem Matlab (zpracoval Jan Kolínský, dle programu ing. Jana Novotného)

SEMINÁŘ ROBOTIKA. LEGO Roboti a jejich programování (teoretická a praktická část) Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti Evropský sociální fond

PREDIKCE DÉLKY KOLONY V KŘIŽOVATCE PREDICTION OF THE LENGTH OF THE COLUMN IN THE INTERSECTION

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

Měření vzdálenosti pomocí ultrazvuku na vstupu mikropočítače

Fyzikální laboratoř. Kamil Mudruňka. Gymnázium, Pardubice, Dašická /8

Vyhodnocení experimentálního měření kmitání vibrační třídičky pomocí optické metody

Charakteristika základních konstruktů robota. Popis ovládacího prostředí robota.

Metodické pokyny k materiálu č. 35 Mobilní robot III - Závodní auto (STAVBA)

České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství

Návrh a implementace algoritmů pro adaptivní řízení průmyslových robotů

Meo S-H: software pro kompletní diagnostiku intenzity a vlnoplochy

Metodické pokyny k materiálu č. 41 Mobilní robot III - Závodní auto - Dálkové ovládání 2 (STAVBA)

2.12 Vstupní zařízení II.

Merkur perfekt Challenge Studijní materiály

Laserový skenovací systém LORS vývoj a testování přesnosti

METODICKÝ LIST K TECHNICKÉMU KROUŽKU:

Metodické pokyny k materiálu č. 38 Mobilní robot III - Závodní auto - Dálkové ovládání 1 (STAVBA)

Odečítání pozadí a sledování lidí z nehybné kamery. Ondřej Šerý

Zpracování obrazu v FPGA. Leoš Maršálek ATEsystem s.r.o.

Napínání řetězů a řemenů / Pružné elementy Nástroje pro montáž řemenů

Kalibrační proces ve 3D

SOFTWARE PRO ANALÝZU LABORATORNÍCH MĚŘENÍ Z FYZIKY

ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ MEIV Souborná činnost na složitých elektronických zařízeních zaměřená na servisní a profesní působení studenta

DS-450dvrGPS Displej s navigací a kamerou (černou skříňkou) ve zpětném zrcátku

13 Barvy a úpravy rastrového

Učivo: Detailnější zopakování používání některých částí uživatelského rozhraní LEGO MINDSTORMS NXT Paleta programování

ODBORNÝ VÝCVIK VE 3. TISÍCILETÍ MEIV Souborná činnost na složitých elektronických zařízeních zaměřená na servisní a profesní působení studenta

Charakteristika základních konstruktů robota. Popis ovládacího prostředí robota. Další možnosti programování robota.

Příloha č. 4 - Nabízené zboží a jeho technické podmínky_úprava_ OPVK 1.1

Dual Eye Mapping Duální navigace a sledování povrchu (inteligentnější a rychlejší úklid)

APROXIMACE KŘIVEK V MATLABU NEWTONŮV INTERPOLAČNÍ POLYNOM CURVE FITTING IN MATLAB NEWTON INTERPOLATION POLYNOMIAL

Ovládání robota. Tvorba programu. Tvorba uživatelských profilů.

Inteligentní parkovací asistent Uživatelská příručka

Rasterizace je proces při kterém se vektorově definovaná grafika konvertuje na. x 2 x 1

Využití neuronové sítě pro identifikaci realného systému

Interní norma č /01 Průměr a chlupatost příze

Technická specifikace LOGGERY D/R/S

Kvaterniony, duální kvaterniony a jejich aplikace

T- MaR. Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. Podmínky názvy. 1.c-pod. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

Využití stavebnice Lego při výuce

IMPLEMENTACE AUTOMATIZOVANÉHO MĚŘENÍ HRTF V MATLABU

Projekt podpořený Operačním programem Přeshraniční spolupráce Slovenská republika Česká republika

Využití letecké fotogrammetrie pro sledování historického vývoje krajiny

Záznam dat Úvod Záznam dat zahrnuje tři základní funkce: Záznam dat v prostředí třídy Záznam dat s MINDSTORMS NXT

PROJEKT 3 2D TRAJEKTORIE KAMERY SEMESTRÁLNÍ PRÁCE DO PŘEDMĚTU MAPV

OBRAZOVÁ ANALÝZA. Speciální technika a měření v oděvní výrobě

Derivační spektrofotometrie a rozklad absorpčního spektra

ÚKOLOVÝ LIST. Aktivita projektu Obloha na dlani - Laboratoř vědomostí ROBOT NA PÁSOVÉM PODVOZKU

VIDEOKONFERENČNÍ ŘEŠENÍ

České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství

Pokročilé vyhodnocování mikrotvrdosti programem MICRONESS

Měřič. krouticího momentu /06/04/v1

České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

MI Video rozhraní pro vozidla Renault Poloha ON (poloha dole)

2 VLIV POSUNŮ UZLŮ V ZÁVISLOSTI NA TVARU ZTUŽENÍ

Škola: Gymnázium, Brno, Slovanské náměstí 7 III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Název projektu: Inovace výuky na GSN

Aplikace bin picking s použitím senzorové fúze

Řízení modelu letadla pomocí PLC Mitsubishi

Universální CNC stolní vrtačka

VYUŽITÍ MATLABU PRO PODPORU VÝUKY A PŘI ŘEŠENÍ VÝZKUMNÝCH ÚKOLŮ NA KATEDŘE KOMUNIKAČNÍCH A INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

Digitalizace starých glóbů

PRŮVODCE ŘÍJEN 2018 CYKLO POČÍTAČE

Spektrální charakteristiky

POROVNÁNÍ NĚKTERÝCH SW PRO ZOBRAZENÍ GRAFU FUNKCE DVOU PROMĚNNÝCH

Teorie měření a regulace

Robot Lego Mindstorms NXT doplněný o kamerku a software v jazyce C#

FREESCALE TECHNOLOGY APPLICATION

VYHODNOCOVÁNÍ DAT Z MĚŘENÍ STABILITY POMOCÍ BALANČNÍ PLOŠINY

Defektoskopie. 1 Teoretický úvod. Cíl cvičení: Detekce měřicího stavu a lokalizace objektu

Ing. Jiří Fejfar, Ph.D. Dálkový průzkum Země

Selected article from Tento dokument byl publikován ve sborníku

Předmět: informační a komunikační technologie

Digitální mikroskop s kamerou 2MP USB 1000X 8 LED + pohyblivý stojánek

Zápočtový projekt předmětu Robotizace a řízení procesů

Hardware Osobní počítač a jeho periferie. Mgr. Lukáš Provazník ZŠ praktická a ZŠ speciální Lomnice nad Popelkou DUM č.: VY_3.

1 Základní funkce pro zpracování obrazových dat

POLOHOVÁNÍ ULTRAZVUKOVÉHO SENZORU

Topografické mapování KMA/TOMA

INTERAKTIVNÍ TABULE. 1 Obsluha. Interaktivní tabule je velká interaktivní plocha, ke které je připojen počítač a datový projektor,

kamerou. Dle optických parametrů objektivu mohou v získaném obraze nastat geometrická

NOVÉ METODY HODNOCENÍ OBRAZOVÉ KVALITY

ROZPOZNÁVÁNÍ AKUSTICKÉHO SIGNÁLU ŘEČI S PODPOROU VIZUÁLNÍ INFORMACE

DÁLKOVÁ SPRÁVA ŘÍDICÍCH SYSTÉMŮ V PROSTŘEDÍ CONTROL WEB 5

Algoritmy a struktury neuropočítačů ASN - P11

NEWTON Dictate 4. Software pro převod hlasu do textu. Katalog příslušentví.

Autorizovaný software DRUM LK 3D SOFTWARE PRO VYHODNOCENÍ MĚŘENÍ ODCHYLEK HÁZIVOSTI BUBNOVÝCH ROTAČNÍCH SOUČÁSTÍ

Transkript:

ON-LINE SLEDOVÁNÍ POHYBUJÍCÍHO SE PŘEDMĚTU S VYUŽITÍM DIGITÁLNÍ KAMERY ON-LINE TRACKING OF MOVING OBJECT USING DIGITAL CAMERA Jan Mareš 1, Lucie Gráfová 2, Aleš Procházka 3 Anotace: Příspěvek popisuje jednu z možných aplikací zpracování obrazové informace - rozpoznání polohy pohybujícího se předmětu. Pohybujícím se objektem je robot MINDSTORM NXT, jehož popis tvoří společně s popisem první část příspěvku. Druhá část popisuje metodu rozpoznání předmětu založenou na vzájemném odčítání matic. Třetí částí příspěvku je ukázkový příklad. Klíčová slova: Zpracování obrazu, robot MINDSTORM NXT, rozpoznání předmětů Summary: Contribution deals with one possible application of image processing - recognition of moving object position. Traced object is robot MINDSTORM NXT, which is described in the first part of the paper. The methodology of image processing and object recognition is discussed in the second part of the paper. The third part describes the application example. Key words: Image Processing, robot MINDSTORM NXT, tracking objects ÚVOD Zpracování obrazové informace ve formě statických obrázků nebo videa je v posledních letech velice žádoucí odvětví vědy, které se s úspěchem aplikuje v praxi ( např. snímání biomedicínských dat, zjišťování koncentrace prachových částic v ovzduší, doprava, ). Video je možné v počítači zpracovávat v obecné rovině dvěma způsoby: a) off-line - pořízení celé sady snímků a jejích následné zpracování, b) on-line - zpracování snímku okamžitě po jeho pořízení. Oba přístupy mají své výhody i nevýhody. Offline přístup umožňuje rychlejší snímkování, viz (1), online přístup je pomalejší, ale s okamžitým vyhodnocením, čehož lze s úspěchem využít např. pro potřeby řízení, navigace,... V tomto příspěvku je popsán druhý zmiňovaný způsob, on-line rozpoznání polohy pohybujícího se předmětu (s aplikací na zjištění polohy pohybujícího se robota (vše s využitím programového prostředí MATLAB) 1 Ing. Jan Mareš, Ph.D., Ústav počítačové a řídicí techniky, Fakulta chemicko-inženýrská, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, 166 28, Praha 6, Tel.: +420 220 444 172, E-mail: jan.mares@vscht.cz 2 Mgr. Lucie Gráfová, Ústav počítačové a řídicí techniky, Fakulta chemicko-inženýrská, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, 166 28, Praha 6 3 Prof. Ing. Aleš Procházka, CSc., Ústav počítačové a řídicí techniky, Fakulta chemicko-inženýrská, Vysoká škola chemicko-technologická, Technická 5, 166 28, Praha 6 Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 188

1. POPIS ZAŘÍZENÍ 1.1 Robot MINDSTORM NXT Robot MINDSTORM NXT je produktem společnosti LEGO. Jedná se o klasickou stavebnici, která je doplněna o 32-bitový mikropočítač, se čtyřmi vstupními a třemi výstupními porty, viz např. (2), (3). Výstupy mikropočítače jsou tři servomotory a vstupními zařízeními jsou ultrazvukový senzor, mikrofon, senzor intenzity světla a senzor dotyku (obrázek 1). Zdroj:www.lego.com Obr. 1 Mikropočítač se vstupními a výstupními zařízeními. Sadu MINDSTORM je možné sestavit v nejrůznějších variantách mobilních robotů (viz obrázek 2). Roboti jsou schopni naprosté autonomnosti, kdy se PC využívá pouze pro naprogramování, nebo mohou být na PC závislí (slouží tak jen pro sběr dat a samotné řízení a rozhodování se děje v počítači). Komunikaci s PC je možné realizovat bezdrátově, s využitím Bluetooth technologie nebo kabelem s využitím USB 2.0. Programově je veškerá komunikace PC s robotem zajišťována z prostředí MATLAB, kde byl využit MINDSTORM NXT Toolbox, vyvinutý v RWTH Aachen University, viz (4). Toolbox obsahuje základní komunikační programy, pro komunikaci s robotem (spojení MATLABu s mikropočítačem, zjištění informace z daného čidla a ovládání servomotoru). S pomocí toolboxu byly vytvořeny příslušné funkce pro celkové ovládání pohybu robota. Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 189

Zdroj:www.lego.com Obr. 2 Různé varianty sestavení robota MINDSTORM NXT 1.2 Kamera DragonFly Kamera DragonFly (obrázek 3) je standardní volně dostupná digitální kamera, která umožňuje barevné snímání a ruční ostření, více v (5). Její základní specifikace jsou: rozlišení až 1296x964, snímání až 30 snímků za sekundu, připojení k PC sběrnicí FireWare. Obr. 3 Kamera DragonFly Zdroj:www.ptgrey.com 2. POPIS METODY ROZPOZNÁNÍ PŘEDMĚTU Rozpoznání polohy zvoleného předmětu je obecně úkolem netriviálním. Na snímku je nejprve zapotřebí vybrat správný objekt, nalézt jeho střed a zjistit souřadnice, viz (6). Pokud je pozadí (podložka), po kterém se předmět pohybuje, konstantní barvy, která je odlišná od Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 190

barvy předmětu, rozpozná se na snímku vždy pouze jeden objekt a úkol je tedy jednoduchý. Pokud se ale barva robota a pozadí příliš neliší, a pozadí má složitou strukturou (překážky, další objekty,...) dochází k rozpoznání mnoha předmětů, jedná se tedy o úkol značně složitější. Princip použité metody rozpoznání pohybujícího se robota je založen na myšlence vzájemného odčítání obrázků, viz (7). Na úvod se pořídí obrázek samotného pozadí, který se v každém intervalu vzorkování odečte od obrázku snímajícího pohyb robota. Konstantní části snímku (pozadí) se vzájemně odečtou a zůstane pouze daný předmět, viz obrázky 4 a 5 Obr. 4 Reálný snímek polohy robota Zdroj:autor Obr. 5 Snímek polohy robota s odečteným snímkem pozadí Zdroj:autor Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 191

Po odečtení snímků a rozpoznání předmětu je nutné najít jeho střed a určit souřadnice (v praxi je obvyklé i prahování, které z obrázku odstraní šum např. tak, že ponechá pouze předměty od určité velikosti nebo intenzity v šedotónové oblasti). Střed objektu se nalezne tak, že z obrázku vyřízneme jeho podmnožinu ohraničenou krajními body sledovaného objektu, střed objektu je tedy dán středem nově vzniklé matice. Pro výše zmíněné výpočty byly využity funkce MATLABu bwlabel a regionprops. Pro určení reálných souřadnic je nezbytná kalibrace kamery. S využitím kalibrační mřížky se určí pozice všech čtyř rohů snímané plochy (viz obrázek 6), následně je možné vypočítat maximální zobrazovací úhly kamery (horizontální a vertikální). Zdroj:autor Obr. 6 Kalibrace kamery shorizontal / 2 α horizontal = 2 arctg (1) d svertical / 2 α vertical = 2 arctg (2) d Poloha středu objektu je tedy udána jako vzdálenost od levého dolního rohu ve směru osy x a osy y. Celkový algoritmus je tedy možné zapsat: 1) inicializace a kalibrace zařízeni 2) pořízení snímku pozadí bez pohybujícího se předmětu 3) snímání polohy pohybujícího se předmětu a) pořízení snímku b) odečtení snímku pozadí c) nalezení středu předmětu d) výpočet x-ové a y-ové souřadnice Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 192

3. APLIKAČNÍ PŘÍKLAD Metoda rozpoznání pohybujícího se předmětu byla aplikována na zaznamenání polohy pohybujícího se robota MINDSTORM NXT. Robot byl naprogramován tak, aby se náhodně pohyboval v určeném prostoru obdélníkového tvaru. Jeho pohyb je sledován kamerou, která je umístěna nad robotem a snímá vymezenou oblast. Kamera pořídí jednou za dvě sekundy snímek, který je po té okamžitě zpracován v MATLABU a zjištěna aktuální poloha. Na obrázku 7 je vykreslena výsledná trajektorie pohybu robota. 650 600 550 500 y 450 400 350 300 250 300 400 500 600 700 800 900 x Zdroj:autor Obr. 7 Výsledná trajektorie pohybu robota 3.1 Ukázka kódu Snímání dat z čidel robota h = COM_OpenNXT('bluetooth.ini'); % zahájeni komunikace COM_SetDefaultNXT(h); % smikropocitacemopenulrasonic(1,'db'); % zahájeni komunikace % s mikrofonem m=getultrasonic(1); % zmereni hodnoty COM_CloseNXT(h); % ukonceni komunikace Ovládání motorů robota h = COM_OpenNXT('bluetooth.ini'); COM_SetDefaultNXT(h); % zahájeni komunikace mstraight = NXTMotor(MOTOR_B); % vyber motoru mstraight.power = 50; % příkon mstraight.actionattacholimit = 'Brake'; % akce po skonceni mstraight.sendtonxt(); % prenos do robota mstraight.waitfor(); % cekani na provedeni COM_CloseNXT(h); % ukonceni komunikace Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 193

Pořízení a zpracování snímku z kamery obj=videoinput('dcam',1,'y8_1024x768'); % vytvoreni objektu set(obj,'framespertrigger',1); % pocet snimku = 1 preview(obj) % zobrazeni videa start(obj); % porizeni snimku [f_pozadi,t]=getdata(obj); % pozadi pause(10); for i=1:1:5 start(obj); % porizeni snimku [f_pozice,t]=getdata(obj); % pozice diff=imabsdiff(f_pozadi,f_pozice); % odecteni snimku tresh=graythresh(diff); % bw=(diff>=tresh*255); % prahovani L=bwlabel(bw); % a s=regionprops(l,'area','centroid'); % vypocet area_vector=[s.area]; % stredu [tmp,idx]=max(area_vector); % objektu Centroid =s(idx(1)).centroid; % X(i)=centroid(1); % Y(i)=centroid(2); % alfaxh(i)=ah*x(i)+bh; % vypocet skutecne alfayv(i)=av*y(i)+bv; % polohy % obektu na zaklade xposition(i)=alfaxh(i)/alfah*sh*100; % kalibrace yposition(i)=alfayv(i)/alfav*sv*100; % end figure plot(xposition,yposition,'o-r','linewidth',2) % vykresleni ZÁVĚR Problematika zpracování obrazů i zjišťování polohy, řízení a navigace pohybujících se předmětů je v současné době velice aktuální a diskutovaná a její praktické využití je nesporné. Tento příspěvek si klade za cíl seznámit s on-line rozpoznáním polohy pohybujícího se robota (např. pro potřeby jeho řízení či navigace). Ke snímání polohy se využila jedna digitální videokamera, je tedy možné sestavit dvourozměrnou trajektorii pohybu. V případě použití dvou a více kamer je možné vypočítat i 3-D trajektorii. Základní výhodou tohoto přístupu je použití videokamery jako senzoru polohy, neboť kamera snímá polohu bez nutnosti jakéhokoliv spojení s robotem a funguje i na relativně velkou vzdálenost. Popsaný postup je zcela univerzální a použitelný pro rozpoznání předmětů na rozličných pozadích. Tato práce byla vypracována za podpory programu MSM 6046137306. POUŽITÁ LITERATURA (1) PAVELKA, A., KUBÍČEK, M., PROCHÁZKA, A. Motion Observation and Modelling in the Virtual Reality Environment. In Sborník MATLAB 2005. VŠCHT Praha, 2005. Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 194

(2) HLINOVSKÝ, M., KRUCZEK, A. Předmět ROBOTI na ČVUT FEL v Praze. In Proceedings of Conference ARTEP 10", 24.-26. 2 2010.Technická univerzita Košice, 2010. ISBN 978-80-553-0347-5. (3) LEGO Educational Division v ČR. [cit. 20. 12. 2010]. Dostupné na: http://www.eduxe.cz/ (4) RWTH Aachen University. [cit. 20. 12. 2010]. Dostupné na: http://www.mindstorms.rwth-aachen.de (5) KUBÍČEK. M. Using Dragonfly IEEE-1394 Digital Camera and Image Acquisition Toolbox. In Sborník MATLAB 2004, pages 280 282. VŠCHT Praha, 2004. (6) Image Acquisition Toolbox [cit. 20. 12. 2010]. Dostupné na: http://www.mathworks.com/products/image (7) RINGER, M., LASENBY, J. Modelling and Tracking of Articulated Motion from Multiple Camera Views. In Proc. British Machine Vision Conf (BMVC), pages 172 181, 2000. Mareš, Gráfová, Procházka: On-line sledování pohybujícího se předmětu s využitím 195