پایان نامه بینایی سه بعدی با استفاده از نور ساختاریافته با الگوی رنگی

تعداد صفحات: ۱۳۵ | قابل ویرایش

فهرست مطالب پایان نامه بینایی سه بعدی با استفاده از نور ساختاریافته

عنوان                                                                                  صفحه

چکیده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۲

فصل اول : تئوری نور ساختار یافته و کاربردهای بینایی سه بعدی

۱-۱- مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۷

۱-۲- روشهای غیر فعال بینایی سه بعدی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۸

۱-۲-۱- روش استریوفتوگرامتری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۸

۱-۳- روشهای فعال بینایی سه بعدی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۹

۱-۳-۱- بکار گیری سنسور تماسی دربینایی سه بعدی . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۱

۱-۳-۲- بکار گیری سنسور غیر تماسی دربینایی سه بعدی . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۲

۱-۳-۲-۱- روش ارسال امواج . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۲۲

۱-۳-۲-۲- روش های انعکاسی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۳

۱-۳-۲-۲-۱- رهیافتهای غیر اپتیکی در روشهای انعکاسی . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۲۳

۱-۳-۲-۲-۲- رهیافتهای اپتیکی در روشهای انعکاسی  . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۳

۱-۳-۲-۲-۲-۱ رادار تصویر برداری. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۴

۱-۳-۲-۲-۲-۲- روشهای اینترفرومتریک . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۶

۱-۳-۲-۲-۲-۳- استخراج عمق از طریق تمرکز بر روش فعال . . . . . . . . . . . . . .   ۲۷

۱-۳-۲-۲-۲-۴- استریوی فعال . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۸

۱-۳-۲-۲-۲-۵- راستراستریوفتوگرامتری  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۸

۱-۳-۲-۲-۲-۶- سیستم مجتمع تصویر برداری  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۲۹

۱-۳-۲-۲-۲-۷- تکنیک نور ساختار یافته . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۳۰

۱-۴- مقایسه روشها وتکنیکها و کاربردهای آنها . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۳۲

۱-۵- نتیجه گیری . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۳۵

فصل دوم : روشهای مختلف کدینگ الگو

۲-۱- مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۳۷

۲-۲- روشهای طبقه بندی کدینگ الگوهای نوری  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۳۸

۲-۲-۱- الگوهای نوری از دیدگاه درجات رنگی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۳۹

۲-۲-۲- الگوهای نوری از دیدگاه منطق کدینگ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۴۰

۲-۲-۲-۱- روشهای مبتنی بر الگوهای چند زمانه (کدینگ زمانی) . . . . . . . . . .     ۴۲

۲-۲-۲-۱-۱- کدینگهای باینری. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۴۲

۲-۲-۲-۱-۲-  کدینگ با استفاده از مفهوم n-ary. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۴۴

۲-۲-۲-۱-۳-  کدینگ با استفاده از مفهوم انتقال مکانی. . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۴۵

۲-۲-۲-۱-۴-  کدینگ با استفاده از همسایگی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۴۶

۲-۲-۲-۲- روشهای مبتنی بر همسایگیهای مکانی(کدینگ مکانی) . . . . . . . . .      ۴۸

۲-۲-۲-۲-۱- کدینگهای غیر متعارف (ابتکاری) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۴۸

۲-۲-۲-۲-۲- کدینگ بر اساس دنباله De_Bruijn^[۱]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۵۰

۲-۲-۲-۲-۳- کدینگ بر اساس منطق M-Arrays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۵۲

۲-۲-۲-۳- کدینگ مستقیم . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۵۴

۲-۳- نتیجه گیری. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۵۵

فصل سوم :پیاده سازی کدینگ و پردازش تصویر 

۳-۱- مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۵۷

۳-۲- تولید کلمه های رمز با استفاده از دنباله De_Bruijn. . . . . . . . . . . . . . . .  ۵۹

۳-۳-  تابش الگو و عکسبرداری. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ۶۵

۳-۴- پردازش تصویر .  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۶۶

۳-۴-۱- دوسطحی سازی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۶۸

۳-۴-۲- تشخیص لبه ها و اسکلت بندی  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۷۰

۳-۴-۳- نازک سازی  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۷۴

۳-۴-۴ نقاط تقاطع   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۷۵

۳-۴-۵- شناسایی خطوط    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۷۸

۳-۵- نتیجه گیری   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۸۲

فصل چهارم: شناسایی رنگ و حل مسئله تطابق و بازسازی سه بعدی

۴-۱- مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۸۴

۴-۲- شبکه عصبی و شناسایی رنگ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۸۶

۴-۲-۱- مسئله تغییر رنگ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۸۷

۴-۳- طراحی شبکه عصبی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۸۸

۴-۴- مسئله تطابق  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  ۹۳

۴-۵- بازسازی سه بعدی  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .    ۹۹

۴-۶- بررسی خطاهای موجود. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۰۳

۴-۶-۱- تغییر رنگ و خروجی غیر قطعی شبکه. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۰۳

۴-۶-۲- ناپیوستگی های تصویر رنگی. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۰۳

۴-۶-۳-خطای همپوشانی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۰۴

۴-۷- نتیجه گیری  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   ۱۰۵

فصل پنجم : نتیجه گیری و پیشنهادات

۵-۱ مقدمه . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      ۱۰۷

۵-۲- انتخاب روش و پیاده سازی . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      ۱۰۸

۵-۳- پیشنهادات . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۱۰۸

پیوست الف : نرم افزار تهیه شده . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .     ۱۱۱

پیوست  ب : مثلث بندی  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      ۱۲۲

مراجع . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .      ۱۳۰

چکیده پایان نامه بینایی سه بعدی با نور ساختاریافته

هدف از این پروژه استخراج پروفایل سه بعدی اجسام به استفاده از روش نور ساختار یافته است.

با توجه به بررسی های انجام شده نور ساختار یافته دارای مزایای ویژه ای می باشد. برای مثال سیستمهای مبتنی بر اُپتیک معمولا دارای هزینه پایین تری هستند . همچنین سیستم های بینایی استرﻳو (شامل دو دوربین) یا استریو فتو گرامتری برای سنجش برد کوتاه دارای کاربردهای زیادی می باشد.

اما این سیستم در اندازه گیری فواصل کوتاه دارای نواقص و مشکلات مربوط به خود است. این مطلب  باعث شده روشهای نور ساختار یافته در فواصل کوتاه بیشتر مورد توجه قرار گیرد . وجود کدینگ در نور ساختار یافته و کاربرد آن در تناظر یابی  باعث بالاتر رفتن ضریب اطمینان می شود.

برای راه اندازی این سیستم نیاز به یک پروژکتور LCD و یک دوربین تصویر برداری است که با توجه به الگو  از آن می توان برای بازسازی اجسام متحرک نیز استفاده کرد . در این میان نقش اساسی را الگوریتم و نرم افزار نوشته شده برای پردازش ها و اندازه گیریها  برعهده دارد  مراحل کاری این سیستم در فلوچارت به صورت کلی آورده شده است.

این سیستم دارای کاربردهای فراوانی در استخراج مدل سه بعدی اجسامی از قبیل آثار هنری، ایجاد مدل کامپیوتری از عروسکها و مجسمه ها در کاربردهای انیمیشن سازی دارد . همچنین دارای کاربردهای قابل تطبیق، در سیستم های پزشکی و برخی مسائل صنعتی مانند مهندسی معکوس نیز می باشد.

‌

مقدمه بینایی سه بعدی با استفاده از نور ساختاریافته

نظر به گستردگی روز افزون استفاده از سیستم های هوشمند لزوم بکار گیری سیستم های بینایی اتوماتیک و یا نیمه اتوماتیک به منظور بدست آوردن ابعاد جسم بر کسی پوشیده نیست . در همین راستا در صنایع نیز در ایستگاههای بازرسی و کنترل کیفیت جهت بررسی دقیقتر میزان تطابق قطعه ی درحال تولید با قطعه مورد نظر ، از سیستم های بینایی استفاده می شود . بدین   وسیله علاوه بر مشخص شدن مورد خطا ، محل دقیق آن و میزان خرابی نیز مشخص می شود.

از جمله موارد کاربرد دیگر سیستم بینایی می توان به علوم نظامی ، پزشکی ، باستانشناسی ، راه و ساختمان و زمین شناسی و هدایت ربات اشاره کرد که روز به روز استفاده از سیستم های بینایی در آنها افزایش می یابد . سیستم های بینایی معمولی ، تنها به گرفتن یک تصویر دو بعدی از جسم اکتفا می کنند و قادر به تشخیص فاصله و یا ارتفاع و عمق نیستند. به همین دلیل و برای داشتن اطلاعات بیشتر از جسم ، محققان تلاش خود را بر روی بدست آوردن اطلاعات از بعد سوم (محور Z) متمرکز کردند.

در راستای این تلاشها رهیافتهای متفاوتی جهت اسکن سه بعدی یک جسم ارائه شد . در این میان اسکنرهای تماسی مبتنی بر سنسورهای تماسی مکانیکی و اسکنرهای غیر تماسی مبتنی بر تکنولژی اپتیکی از جمله راه کارهایی هستند که محققان در پیش رو دارند . و در این میان راه کارهای اپتیکی به دلیل انعطاف پذیر بودن و هزینه قابل قبول ترجیح داده می شوند.

روشهای طبقه بندی کدینگ الگوهای نوری

روشهای زیادی جهت کدینگ الگوی نور ساختار یافته ابداع شده است . در همه این روشها الگوی تابیده شده شامل اطلاعاتی در مورد موقعیت نقاط الگو در سیستم مختصات پروژکتور می باشد که پس از استخراج نقاط از تصویر گرفته شده می توان از اطلاعات آنها استفاده نمود.

مسئله اصلی دراینجا یافتن یک روش یا منطق مناسب است که به وسیله آن قادر به شناسایی دوباره نقاط در الگوی اعوجاج یافته باشیم . تمام روشهای مختلف کدینگ را می توان از دو دیدگاه تقسیم بندی کرد . یکی دیدگاه تنوع درجات رنگی می باشد و دیگری منطق مورد استفاده جهت کدگذاری می باشد . از نظر درجات رنگی الگوها به سه دسته سیاه و سفید ، درجات خاکستری و درجات رنگی تقسیم می شوند.

استراتژی دیگر طبقه بندی بر اساس منطق کدینگ است . منطق های مورد استفاده جهت کدینگ الگوها بسیار متنوع و گوناگون هستند . اما در یک تقسیم بندی خوب [۲۲] می توان آنها را به سه دسته تقسیم کرد : الگوهای چند زمانه یا کدینگ زمانی ، الگوهای مبتنی بر همسایگی مکانی یا رمزنگاری مکانی و الگوهای با کدینگ مستقیم.

مراحل کار در بازسازی شکل سه بعدی جسم  در روشهای گفته شده دارای مراحل مختلفی است اما در همه آن روشها مراحل کدینگ ، تخصیص رمزها ، تابش الگو ، عکس برداری ، پردازش تصاویر ، شناسایی رمز ، رمز گشایی ، تناظریابی و مثلث سازی وجود دارد . دسته بندی روشهای مختلف به ما امکان شناسایی بهتر آنها و بررسی معایب و مزایای هر یک از روشها را به ما می دهد.

الگوهای نوری از دیدگاه درجات رنگی

همانطور که گفته شد الگوها از لحاظ درجات رنگی به سه دسته اصلی تقسیم می شوند . دسته اول الگوهایی هستند که تنها به وسیله دو درجه سیاه و سفید طراحی می شوند . در این الگوها دو رنگ سیاه و سفید می توانند نماینده دو عدد باینری صفر و یک و یا بالعکس باشند که این دو رقم کد را تولید می کنند.

دسته دوم از درجات خاکستری برای کدینگ الگو استفاده می کند که در صورت استفاده از تمام درجات خاکستری ۲۵۶ سطح متفاوت برای نسبت دادن به ارقام عدد کد مورد نظر داریم . این تعدد در سطوح خاکستری امکان طراحی الگوهایی با یک پرده نوری را با این سطوح خاکستری فراهم می کند . البته الگوهای تک پرده ای با دو سطح خاکستری نیز طراحی شده اند اما از بسیاری جهات دارای مشکلاتی بودند که باعث اختلال در مراحل رمز گشایی و بازسازی سه بعدی می شوند.

بنابراین کدینگ ها به سمت استفاده بیشتر از درجات خاکستری متمایل شدند . ولی از طرف دیگر میزان خاکستری بودن رنگها درتصویر به شدت نور تابیده شده ، و میزان صیقلی بودن سطح ، جهت تابش و بازتابش نور بستگی دارند . بنابراین بدلیل اهمیت تشخیص صحیح درجات مختلف خاکستری در تصویر گرفته شده از جسم برای رمزگشایی ، سعی شده است از درجات خاکستری محدودتر ولی با درجه تمایز بیشتر استفاده شود.

منابع و مآخذ

1. گنزالس – رافائل– پردازش تصاویر دیجیتالی – ۱۳۸۳
2. گنزالس – رافائل –   پردازش تصاویر دیجیتالی با استفاده از نرم افزار متلب –  ۱۳۸۳

1. اسلامی – آرش – دریافت اطلاعات سه بعدی اجسام با استفاده از نور ساختاریافته –پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق – الکترونیک –دانشگاه علم و صنعت ایران – ۱۳۸۳
2. سیدین – ساناز – دریافت اطلاعات سه بعدی اجسام با استفاده از نور ساختاریافته با الگوی رنگی –پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق – الکترونیک –دانشگاه علم و صنعت ایران- ۱۳۸۳
3. پوررضا کتیگری- مبین- بازسازی سه بعدی جسم با استفاده از کدینگ رنگ -پایان نامه کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق – الکترونیک –دانشگاه خواجه نصیر- ۱۳۸۳
4. فاوست – لارن –شبکه های عصبی (ساختار ، الگوریتمها و کاربردها ) – ۱۹۹۰
5. Jordi Pag`es, Joaquim Salvi and Josep Forest,A new optimised De Bruijn coding strategy for structured light patterns, IEEE,2005.
6. Asla M. S´a, Paulo Cezar P. Carvalho, Luiz Velho, (b, s)-BCSL : Structured Light Color Boundary Coding for 3D Photography, VMV Erlangen, Germany, November 20–۲۲, ۲۰۰۲.
7. Olaf Hall-Holt Szymon Rusinkiewicz, Stripe Boundary Codes for Real-Time Structured-Light Range Scanning of  moving Objects, Stanford University,2000.