Ein Konzept für dreidimensionales Maschinensehen durch aktive Objektextraktion mittels kreisrasterförmiger strukturierter Beleuchtung
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Autor: Müller, Markus
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-schritt- m MM^m BERICHTE Dipl.-Ing. Markus Müller, Wuppertal Ein Konzept für dreidimensionales Maschinenselten durch aktive Objektextraktion mittels kreisrasterförmiger strukturierter Beleuchtung Reihe 10: Informatik/ Kommunikationstechnik Nr. 507
Inhaltsverzeichnis V In haltsverzeichnis Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen VÜI Verzeichnis der verwendeten Symbole IX 1. Einleitung, Stand der Technik und das Maschinensehenkonzept 1 1.1. Motivation der Forschungsarbeit 2 1.2. Stand der Technik und Überblick 3 1.2.1. Szenenerfassung 6 1.2.2. Datenrepräsentation 18 1.2.3.3D-Szeneninterpretation 21 1.3. Zielsetzung und das Maschinensehenkonzept 30 2. Das grundlegende Konzept für Maschinensehen 38 2.1. Szeneninterpretation: Objekterkennung und Lagebestimmung 39 2.1.1. Konzept für die flächenbasierte Objekterkennung 40 2.1.2. Merkmale für die Objekterkennung (Objektmerkmale) 43 2.1.3. Der Algorithmus für die flächenbasierte Objekterkennung 48 2.1.4. Bestimmung der Objektlage 53 2.2. Erfassung der Elementarmerkmale einer Szene: Das Verfahren zur 3D- Szenenerfassung mit kreisrasterformiger strukturierter Beleuchtung 53 2.2.1. Prinzip der Szenenerfassung mittels kreisrasterförmiger strukturierter Beleuchtung 54 2.2.2. Flächenbasierte Szenenerfassung mit strukturierter Beleuchtung 55 2.2.3. Geometrische Beschreibung von Kreiskegeln und Ellipsen als Elemente der Lichtstruktur 57 2.2.4. Ermittlung der Ebenenparameter bei fehlerfreier Messung 63 2.2.5. Ermittlung der Ebenenparameter bei fehlerbehafteter Messung 69 2.2.6. Bestimmung der Ellipsenidentitäten 71 2.3. Synthese der Szenenflächen aus den Flächenfragmenten 72 2.3.1. Zusammenfassung der Fragmente zu vorläufigen Szenenflächen 73 2.3.2. Aufteilung der vorläufigen Szenenflächen in zusammenhängende Szenenflächen 74 2.4. Zusammenfassung 76 3. Realisierung des Maschinensehens für flexible Kameraführung 78 3.1. Struktur des Gesamtsystems für die 3D-Szenenanalyse 80 3.2. Bilderfassung 83 3.3. Bildvorverarbeitung 84
VI 3.3.1. Bildverbesserung durch Bildverknüpfung 84 3.3.2. Einfluß der Defokussierung 86 3.4. Erfassung der Ellipsenkonturen 86 3.4.1. Binärisierung und Konturierung mittels OKE-Verfahren 86 3.4.2. Bereichswachstumsverfahren 87 3.5. Extraktion der Ellipsenmerkmale 88 3.5.1. Extraktion der geometrischen Ellipsenparameter 88 3.5.2. Bestimmung der Ellipsenidentitäten 95 3.6. Bestimmung der dreidimensionalen Flächenfragmente mittels ACI-Verfahren 96 3.7. Synthese der dreidimensionalen Szene aus den Flächenfragmenten 99 3.7.1. Zusammenfassung der Flächenfragmente zu Szenenflächen 99 3.7.2. Gruppierung der einzelnen Szenenflächen zu Objekten 100 3.8. Objekterkennung und Lagebestimmung 100 3.9. Quantitative Bewertung der Ergebnisse des KSB-Verfahrens 112 3.9.1. Lage der Flächenfragmente in den Szenenflächen 113 3.9.2. Relative Lage der Szenenflächen 120 3.9.3. Relative Lage der Objekte 123 3.10. Grundlagen für die Entscheidung zugunsten einer Interpretationsaltemative und Strategien für die Szenenerfassung 126 3.11. Zusammenfassung 130 4. Zusammenfassung und Ausblick 131 Anhang A: Mathematischer Anhang 136 A. 1 Geometrie von Ellipsen 136 A. 1.1 Geometrische Ellipsenparameter 136 A. 1.2 Bestimmung der geometrischen Ellipsenparameter aus den Koeffizienten der Ellipsengleichung 137 A. 1.3 Normierungsbedingung für die LS-Schätzung der Ellipsenparameter 140 A.1.4 Abschätzung des mittleren Strahlabstands aus dem Residuum der LS- Schätzung der Ellipsenparameter 142 Anhang B: Digitale Bildverarbeitung 144 B. 1 Bildverbesserung durch Bildverknüpfung 144 B.2 Untersuchung des Einflusses der Defokussierung 147 B. 3 C-VIS - Ein objektorientiertes Programmpaket für die digitale Bildverarbeitung 150 Anhang C: Verfahren zur 3D-Szenenanalyse 152 C. l Kalibrierung der Projektor/Kameraanordnung 152 C.l.l Kameramodell 152 C. 1.2 Projektormodell 155 C. 1.3 Geometrische Anordnung Projektor / Kamera 155
Inhaltsverzeichnis VH C. 1.4 Kalibrierung der Anordnung Projektor / Kamera 155 C. 1.5 Kalibrierung der Kamera am Roboter 156 C.2 Aufteilung der vorläufigen Szenenflächen bei nichtkonvexen Objekten 157 C.3 Definition der Merkmale für die Objekt und Flächenzuordnung 160 C.3.1 Globale Merkmale einer Modellbasis 161 C.3.2 Globale Merkmale eines Modellobjekts 162 C.3.3 Globale Merkmale einer Referenzflächenkombination 164 C.3.4 Lokale Merkmale 165 C.3.5 Relative Merkmale 166 C. 3.6 Absolute Merkmale 170 C. 4 Interpretationsbäume für das Modellobjekt „Tetraeder“ 172 Anhang D: Experimentelle Ergebnisse 174 D. l Ergebnisse des KSB-Verfahrens 174 D. 1.1 Abstandsfehler der Fragmente bezüglich der Szenenfläche 174 D. 1.2 Lateraler Fehler def Fragmente bezüglich des zu erwarteten Lichtmusters 178 D. 1.3 Winkelfehler der Fragmente bezüglich der Szenenfläche 182 D.2 Ergebnisse der Szeneninterpretation 188 D.2.1 Referenzmerkmale der Modellbasis 188 D.2.2 Szenenmerkmale für Testszene 1 195 D.2.3 Alternativen derlSzeneninterpretation für Testszene 3 198 D.2.4 Alternativen der Szeneninterpretation für Testszene 4 201 D. 3 Rechenzeiten der Teilschritte des Verfahrens 204 Anhang E: Erfassung der dreidimensionalen Szene durch die Roboterkamera 206 E. l Der Roboter-Kameraarm 206 Literatur 208
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