Bewegungssteuerung Durch Rechnersehen: Ein Verfahren Zur Erfassung Und Steuerung Räumlicher Bewegungsvorgänge in Echtzeit

ISBN-13: 9783540501404 / Niemiecki / Miękka / 1988 / 215 str.

Hans-Joachim Wunsche

Opis

Wahrend nahezu alle hoheren Lebewesen Sichtsysteme zur Erfassung von Bewe gungsvorgangen besitzen, steckt die Entwicklung entsprechender technischer Sichtsysteme noch in den Anfangen. Modeme Roboter, oder Transportsysteme wie z.B. Land- und Luftfahrzeuge, sind noch weitgehend blind; es existie ren praktisch keine Sichtsysteme, die diesen technischen "Lebewesen" erlauben warden, eine naturliche Umwelt visuell zu erfassen, und ihre Be wegungen in dieser Umwelt kontrolliert und zielgerichtet zu steuem. Allerdings onnten auf dem Gebiet der "digitalen Bildverarbeitung" schon wesentliche Entwicklungserfolge erzielt werden, unter Verwendung von Vi deokameras als "Augen" und Computem als "Gehirn": es existieren heute Systeme zur Erfassung klar strukturierter industrieller Szenen, die Ein zelbilder oder langsame Video-Bildfolgen im Minuten- oder gar Sekundentakt auswerten konnen. Aber die Erkennung von Bewegungen in Bildfolgen in einer Geschwindigkeit, die z.B. Steuerungsaufgaben wie das Fuhren eines Kraft fahrzeuges in einer naturlichen Umgebung erlauben warde, ist mit diesen Systemen bislang nicht moglich. Dieser Aufgabenstellung ist das vorliegende Buch gewidmet. Es wird ein Verfahren vorgestellt, das die Erfassung von Bewegungsvorgangen in konti nuierlichen (Video-)Bildfolgen in "Echtzeit" erlaubt; unter Echtzeit wer den hierbei Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Bereich menschlicher Reak tionszeiten verstanden. Damit wird eine Weiterverarbeitung der gewonnenen Bewegungsinformation ermoglicht, z.B. zur LOsung der oben erwahnten Steu erungsaufgaben. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren der digitalen (Einzel-) Bildverarbeitung wird bei diesem Verfahren nicht versucht, jedes Bild einer Bildfolge auszuwerten und zu interpretieren; vielmehr werden rech nerinteme Raum/Zeit Modelle durch eine rekursive Filterung schneller Video-Bildfolgen mit der beobachteten, bewegten Szene in Einklang ge bracht."

Spis treści

1. Einleitung.- 1.1 Einführung.- 1.2 Ansätze zur Erfassung und Steuerung von Bewegungen durch sehende Rechner: Stand der Technik.- 1.2.1 Erfassung von Bewegungen durch Verarbeitung weniger Einzelbilder: differenzierende Verfahren.- 1.2.2 Rekursive Schätzung der Bewegung aus Bildfolgen unbegrenzter Dauer: integrierende Verfahren.- 1.2.3 Steuerung von Bewegungen mobiler Roboter und von Fahrzeugen durch visuelle Information.- 1.3 Aufbau der Arbeit.- 2. Der systemdynamische Ansatz zur Erfassung und Steuerung von Bewegungen durch Rechnersehen.- 2.1 Übersicht: Orientierungsphase und Echtzeitphase.- 2.1.1 Die Orientierungsphase.- 2.1.2 Die Echtzeitphase.- 2.2 Das Bildverarbeitungssystea zur Merkmalextraktion.- 2.3 Das dynamische Modell.- 2.4 Das geometrische Abbildungsmodell.- 2.5 Korrektur der Modellvorstellungen durch rekursive Bilddatenfilterung.- 2.6 Erkennung von Störungen und Verdeckungen.- 2.7 Merkmalselektion.- 2.8 Bewegungssteuerung durch Rechnersehen.- 3. Automatische Steuerung eines Luftkissenfahrzeums in drei Bevegungsfreiheitsaraden durch Auswertung visueller Information.- 3.1 Die Aufgabenstellung.- 3.2 Die Luftkissenfahrzeug-Versuchsanlage.- 3.2.1 Das Luftkissenfahrzeug.- 3.2.2 Die Antennenanlagen zur Positionsbestimmung.- 3.2.3 Das dynamische Modell der Fahrzeugbewegung in geodätischen Koordinaten.- 3.2.4 Das Laufkatzensystem.- 3.3 Missionsablauf.- 3.4 Merkmaleztraktion.- 3.4.1 Verfolgung vertikaler Stäbe.- 3.4.2 Verfolgung von Ecken.- 3.4.3 Bestimmung maximal zulässiger Relativgeschwindigkeiten.- 3.5 Echtzeitphase: Erfassung und Steuerung der Luftkissenfahrzeugbewegung durch Rechnersehen.- 3.5.1 Das dynamische Modell zur Bewegungsprädiktion.- 3.5.2 Das geometrische Abbildungsmodell.- 3.5.2.1 Das geometrische Modell der Szene.- 3.5.2.2 Die perspektivischen Abbildungsgesetze.- 3.5.2.3 Vereinfachte Abbildungsgleichungen und Fehlerabschätzung.- 3.5.3 Korrektur der Modellvorstellungen durch visuelle Information.- 3.5.3.1 Der erweiterte vollständige Beobachter.- 3.5.3.2 Kalman Filter Rekursion.- 3.5.3.3 Gauß-Markov-Schätzung mit quasistationärer Nachfilterung.- 3.5.3.4 Kalman Filter mit sequentieller Innovation.- 3.5.3.5 Kalman Filter mit UDUT — faktorisierter Kovarianzmatrix.- 3 5.4 Situationsgerechte Reaktion auf optische Störungen.- 3.5 4 1 Erste Datenfilterung und Störungserkennung durch Faktenwissen.- 3.5.4.2 Störungserkennung anhand von vertrauensbehafteten Bewegungsanalysen.- 3.5.4.3 Die untere Entscheidungsebene: erfahrungsbasierte Reaktionen auf optische Störungen.- 3.5.4.4 Die obere Entscheidungsebene.- 3.5.5 Merkmalselektion.- 3.5.5.1 Sichtbarkeitsanalyse.- 3.5.5.2 Erkennbarkeitsanalyse.- 3.5.5.3 Vollständige Merkmalselektion.- 3.5.5.4 Sequentielle Merkmalselektion.- 3.5.5.5 Merkmalselektion während einer typischen Mission.- 3.5.5.6 Wahl und Skalierung der Zustandsgrößen.- 3.5.6 Zeitlicher Programmablauf, Rechen- und Totzeiten.- 3.5.7 Dreipunktregler zur Bewegungssteuerung.- 3.5.7.1 Dreipunktregler zur sicheren Bahnregelung.- 3.5.7.2 Störgrößenadaptiver Dreipunktregler mit Berücksichtigung von Totzeiten.- 3.6 Orientierungs- und Initialisierungsphase.- 3.6.1 Kamerakalibrierung.- 3.6.2 3D-Objekterkennung.- 3.6.2.1 Suche nach Merkmalen und Objekthypothesen.- 3.6.2.2 Erste Relativlageschätzung und Nachiteration.- 3.6.2.3 Verifikation der Objekterkennung.- 3.6.2.4 Diskussion.- 3.7 Resultate und Diskussion.- 3.7.1 Verlauf der Bewegungszustandsgrößen für eine typische Mission.- 3.7.2 Größere optische Störungen.- 4. Zusammenfassung.- 5. Literatur.- A.1 Beschleunigungskräfte und -momente.- A.2 Berechnung des diskreten Zustandsraummodells.- A.2a Diskretes Modell der Fahrzeugbewegung in geodätischen Koordinaten.- A.2b Diskretes Modell der Laufkatzenbewegung.- A.2c Diskretes Modell der Fahrzeugbewegung in andockpartnerfesten Polarkoordinaten.- A.3 Die Abbildungsgleichungen und deren Jacobische Matrix.- A.4 Algorithmen zur vektoriellen und sequentiellen Innovation.- A.5 Kovarianzen der Schätzfehler des Gauß-Markov Schätzwertes.- A.6 Parameter der Dreipunktregler.- A.7 Bewertungszahl für die Objekterkennung.- A.8 Zur Relativlageverifikation.- A.9 Struktur des Echtzeit-Programmsystems, ausgewählte Quellcodes.