Technika światła strukturalnego w procesie dokumentacji miejsca zdarzenia drogowego

Transkrypt

1 WRONA Maciej Technika światła strukturalnego w procesie dokumentacji miejsca zdarzenia drogowego WSTĘP Pod koniec 2013 roku Konsorcjum w składzie CLKP (Centralne Laboratorium Kryminalistyczne Policji), UW(Uniwersytet Warszawski), PW(Politechnika Warszawska), WAT(Wojskowa Akademia techniczna), CyBID(Cyborg Idea Sp. J.) otrzymało finansowanie na projekt pt.: Narzędzie wspomagające prowadzenie postępowania przygotowawczego i wykonywanie czynności w procesie wykrywczym poprzez odtwarzanie wyglądu zdarzenia i okoliczności zdarzenia. W ramach projektu prowadzone są prace badawczo-wdrożeniowe nad metodami szybkiej dokumentacji graficznej miejsca zdarzenia. Wyniki tych pracą znajdują również zastosowania w innych dziedzinach poza kryminalistyką. Poza dobrze już znaną na rynku techniką skanowania laserowego planowane jest wykorzystanie w projekcie również techniki światła strukturalnego [1,2] stanowiącej nową alternatywę dla obecnych na rynku rozwiązań pomiarowych [8]. 1 ŚWIATŁO STRUKTURALNE Zasada działania skanerów pracujących w technice światła strukturalnego polega na rzutowaniu na mapowany obiekt usystematyzowanego wzoru w zakresie spektralnym RGB i/lub NIR. Równolegle z działaniem projektora pracuje kamera zbierająca obraz mapowanego obiektu [1]. W zależności od pożądanegozasięgu pracy skanera zmienia się odległość pomiędzy projektorem a obiektywem kamery. Rysunek 1 schematycznie ilustruje zasadę działania skanerów w oparciu o technikę światła strukturalnego. Dla wygenerowania modelu przestrzennego wykorzystywany jest efekt stereoskopowy realizowany przez układ optyczny projektora i kamery CCD. Precyzyjna znajomość orientacji wzajemnej tych dwóch układów (odległościd i kątaβ) pozwala na określenie wielkości deformacji poszczególnych struktur kodu załamującym się na mapowanym obiekcie. Możliwe jest w ten sposób wygenerowanie przestrzennego modelu o dokładności i rozdzielczości podyktowanej przez szereg parametrów jak: długość bazy d, rozdzielczość kamery CCD, rozdzielczość struktur kodu i samego rzutnika [2, 3]. Rys. 1 Schemat działania techniki światłą strukturalnego 11394

2 W chwili obecnej na rynku komercyjnym dostępnych jest wiele rozwiązań bazujących na tej technice. Większość z nich bazuje na skanerach stacjonarnych wykorzystujących projektory światła widzialnego [ 2]. W ramach postępu elektroniki i miniaturyzacji układów optoelektronicznych w 2010 roku dostępne stały się ręczne skanery optyczne o zasięgu do 1,5m. Głównym przeznaczeniem tych narzędzi jest pomiar geometrii obiektów o niewielkich rozmiarach w warunkach niezmiennego oświetlenia. Głównie z tego powodu rozwiązania oparte o tę technikę nie były rozwijane w kierunku zwiększenia głębi pracy skanera i odporności na warunki oświetleniowe. Znaczący postęp w tej dziedzinie nastąpił po 2011 roku kiedy na rynek komercyjny został dopuszczony skaner MVC-F5 opracowany na zamówienie armii izraelskiej. Narzędzie funkcjonuje w oparciu autorskie rozwiązania dotyczące projektora oraz kodu w zakresie spektralnym bliskiej podczerwieni. Rysunek 2 przedstawia obraz z monitora kontrolera skanera. Widoczny jest tutaj przebieg linii kodu rzutowanego przez projektor na mapowaną scenę. Linie te nie są widoczne okiem nieuzbrojonym a jedynie w zakresie bliskiej podczerwieni (takim jak kamera CCD skanera). Po prawej stronie ilustracji przedstawiono kształt geometryczny opracowanego przez producenta kodu w dużym powiększeniu. Innowacyjną cechą tego rozwiązania jest obrót matrycy o kąt ok 45 co pozwala na identyfikację znacznie większej liczby punktów w krótszym czasie [7]. Rys. 2 Zrzut ekranowy z kontrolera skanera Na rysunku 3 przedstawiono budowę ręcznego skanera typu MVC-F5.Skaner składa się z dwóch elementów: jednostki obrazującej oraz kontrolera. Jednostka obrazująca składa się z kamery video o rozdzielczości 1.3 Megapixela oraz projektora kodu w zakresie bliskiej podczerwieni (808nm). Kontroler składa się z komputera polowego z procesorem 1.33 GHz, pamięcią wewnętrzną DDR2 1GB i dotykowym ekranem o przekątnej 4,8 cala [9]. Rys. 3 Podstawowe elementy skanera MVC-F

3 2 INWENTARYZACJA POWYPADKOWA Jednym z podstawowych zastosowań technologii szybkiego mapowania 3d jest inwentaryzacja miejsca zdarzenia. Pomijając fakt konieczności przeprowadzenia procesu oględzin i dokumentacji przez służby mundurowe, technologie 3d znajdują zastosowanie w dalszych procesach związanych z naprawieniem powstałej w wyniku zdarzenia szkody. Przykładem może być wykorzystanie tego typu narzędzi przez rzeczoznawców firm ubezpieczeniowych. Testowe wdrożenie rozwiązań tego typu ma zmniejszyć koszty i czas niezbędny dla podjęcia decyzji o stopniu i wycenie skutków zdarzenia drogowego. Podstawową innowacją tego rozwiązania jest niespotykana dotąd mobilność i szybkość rejestracji geometrii obiektu. Przeprowadzone na WAT testy potwierdzają możliwość pozyskania kompletnego modelu 3d auta kompaktowego (rys. 4) w przeciągu 2-3 minut. Po takim czasie możliwe jest przeprowadzenie prostych analiz przestrzennych dotyczących pomiarów kątów i odległości pomiędzy wybranymi elementami oraz przekątnych i promieni. Bardziej szczegółowe analizy wymagają dodatkowych narzędzi pozwalających na przejście z formatu chmury punktów na siatki trójkątów lub czworoboków. Dzięki dużej rozdzielczości przestrzennej i wysokiej dokładności pozyskanej chmury punktów możliwe było porównanie geometrii wybranych fragmentów modelu z wartościami rzeczywistymi. Dzięki temu procesowi można będzie w przyszłości (obecnie na WAT prowadzone są prace w tym kierunku) zautomatyzowanie procesu oceny stopnia uszkodzenia pojazdu po zdarzeniu drogowym. Na rysunku 4 przedstawiono wynik skanowania osobowego po zdarzeniu drogowym uzyskany podczas testów Służb Policyjnych w Nottingham w 2013r.[9]. Obiekt na tym rysunku przedstawiony jest w postaci przefiltrowanej chmury punktów, gotowej do prowadzenia prostych analiz przestrzennych.mobilność wykorzystywanego narzędzia pozwala również na szybki pomiar wielu wybranych elementów (także pojedynczych) sceny zdarzenia drogowego (Rys. 3). Przytoczone tu wyniki zweryfikowano na początku 2014 roku podczas serii testów z udziałem przedstawiciela producenta narzędzia [7,8]. Rys.4 Zobrazowanie 3d auta podczas testów Służb Policji w Nottingham w 2013 [8]. W dolnej części fotografia ilustrująca przebieg skanowania poszczególnych elementów sceny zdarzenia drogowego 11396

4 3 STUDIUM PRZYPADKU WYNIKI WSTĘPNE Do tej pory w WAT przeprowadzono serię próbną na rzeczywistym pojeździe na którym powstała szkoda po zdarzeniu drogowym. W wyniku otarcia wgnieceniu uległo tylne prawenadkole. Kilka dni po zdarzeniu miejsce uszkodzenia zostało pomierzone skanerem MCV-F5 SR (Rys. 5). Pozyskano w tej sposób model geometryczny konstrukcji samochodu. Na podstawie elementów pomierzonych z wykorzystaniem klasycznych metod pomiarowych oszacowano dokładność pozyskanej chmury punktów na nie gorszą niż 2mm. Dzięki cyfrowej postaci przestrzennego modelu uszkodzenia możliwe jest przeprowadzenie szczegółowych analiz odtwórczych o szczególnym znaczeniu w przypadku poważnych wypadków i kolizji. W opisywanym przypadku możliwe było precyzyjne określenie głębokości wgnieceń oraz zarysowań powstałych na skutek kolizji (Rys. 6). Dostatecznie wysoka rozdzielczość przestrzenna oraz dokładność chmury punktów powstałych podczas skanowania pozwolą na podjęcia dalszych prac zmierzających do opracowania zautomatyzowanego narzędzia do oceny poziomu zniszczeń pojazdu. Rys. 5 Uszkodzenie auta osobowego po zdarzeniu drogowym. Na czarnym tle widok chmury punktów w skali szarości będącej wynikiem skanowania. Wykorzystując proste narzędzia analityczne, w oparciu o przestrzenną chmurę punktów możliwe jest prowadzenie pomiarów przestrzeni w obrębie skanowanego obiektu. W tym przypadku zbadano odległości pomiędzy wygenerowaną płaszczyzną odpowiadającą kształtowi referencyjnemu (przed zderzeniem) a wynikiem skanowania. Dzięki temu pomierzono rzeczywistą głębokość wgniecenia i jego kształt. Na Rysunku 7 przedstawiono wynik koloryzacji chmury punktów w zależności od głębokości w znaczący sposób ułatwia interpretację wyników pomiaru. Daje to również możliwość automatyzacji procesu analizowania i klasyfikowania stanu pojazdu w zależności od wielkości wykrytych uszkodzeń w formie zmian geometrii wybranych elementów. Analiza gęstości przestrzennej chmur punktów 11397

5 Rys. 6 Pomiar głębokości wgnieceń w oparciu o model referencyjny. Niewątpliwą zaletą opisywanej kamery 3d jest mobilność i możliwość pracy w świetle dziennym. Czas skanowania fragmentu pojazdu na Rys. 5 nie przekroczył 1 minuty. Czas przetwarzania danych do postaci chmury punktów w formacie. ply (Python Lex-Yacc) zajęło ok. 10 minut. Skanowanie wykonano w świetle dziennym bez użycia dodatkowych elementów w postaci tarcz celowniczych czy fotopunktów. W wyniku skanowania uzyskano około 3,5 mln punktów w postaci trójwymiarowych współrzędnych w układzie lokalnym skanera.średnia rozdzielczość przestrzenna modelu, tzn. liczba punktów w stosunku do powierzchni wyniosła w tym przypadku blisko pkt/cm 2. Tak duże zagęszczenie punktów pomiarowych znacząco podnosi stopień szczegółowości pozyskiwanego modelu w stosunku do wykorzystywanych obecnie rozwiązań. Rys. 7 Model numeryczny wgniecenia w postaci kolorowej chmury punktów

6 WNIOSKI Do połowy 2014 przeprowadzono wstępną fazę testów nad wykorzystaniem technologii światła strukturalnego w precyzyjnej inwentaryzacji geometrycznej miejsca zdarzenia. Dzięki międzynarodowej współpracy możliwe było przebadanie nowego narzędzia mapowania 3d działającego w oparciu o technologię światła strukturalnego. Na podstawie wyników testów można stwierdzić że zakładane przez producenta dokładność jest spełnione ale jedynie w przypadkach gdy urządzenie jest obsługiwane przez przeszkolonego technika znającego specyfikę tej techniki pomiarowej. Niewątpliwą zaletą opisywanych narzędzi jest szybkość pomiaru oraz niespotykana dotąd na rynku odporność na zmienne warunki oświetleniowe. Podstawowym mankamentem pomiar z wykorzystaniem tego narzędzia jest konieczność wykorzystywania komputerów o dużej mocy obliczeniowej z wielordzeniowymi procesorami. Zdecydowaną poprawę szybkości przetwarzania danych uzyskuje się na procesorach wielordzeniowych. PODZIĘKOWANIA Niniejsza publikacja powstałą w oparciu o środki z projektu z NCBiR nr: DOBR BIO4/005/13287/2013,pt:." Narzędzie wspomagające prowadzenie postępowania przygotowawczego i wykonywanie czynności w procesie wykrywczym poprzez odtwarzanie wyglądu miejsc zdarzenia i okoliczności zdarzenia" Streszczenie Niniejszy artykuł prezentuje wyniki pierwszych w Polsce testów kamer 3d MVC-F5 i MVC-F5 SR. Narzędzia te posiadające unikatową funkcjonalność powstały w oparciu o wyniki projektu prowadzonego przez armię Izraelską w latach Od momentu udostępnienia technologii użytkownikom cywilnym WAT prowadzi współpracę z producentem w zakresie jej wdrażania i rozwijania. Wyniki analizy dokładności oraz funkcjonalności urządzeń w warunkach rzeczywistych pozwalają optymistycznie patrzeć na plany wdrożenia tego rozwiązania w służbach mundurowych i obronności kraju. Using structured light method for road scene investigation Abstract This article presents the results of the first in Poland tests of MVC MVC-F5 and F5-SR 3D camera. These tools having unique functionality are based on the results of a project conducted by the Israeli army in Since the technology have been developed to civil users Military University of Technology cooperates with the manufacturer in terms of its implementation and development. The results of the analysis of the accuracy and functionality of devices in real optimism to look at the plans for the implementation of this solution in the uniformed services and national defense. In further steps of research will be developed geometric test for verifying the functionality of the device in reproducible laboratory conditions. BIBLIOGRAFIA 1. E.HornandN.Kiryati.Towardoptimalstructuredlightpatterns.ImageandVisionComputing,17, Elena Stoykova, Jana Harizanova, VenteslavSainov: Pattern Projection Profilometry for 3D Coordinates Measurement of Dynamic Scenes. In: Three Dimensional Television, Springer, 2008, ISBN Kai Liu, Yongchang Wang, Daniel L. Lau, Qi Hao, Laurence G. Hassebrook: Dual-frequency pattern scheme for high-speed 3-D shape measurement. Optics Express, 18: , K.HattoriandY.Sato.Accuraterangenderwithlaserpatternshifting.InInt.Conf.onPatternRecognition,p ages849ñ853, O.Hall-HoltandS.Rusinkiewicz.Stripeboundarycodesforreal-timestructured lightranges canning of moving objects.inint.conf. on ComputerVision, pages , Wrona M., Using optical NIR handheld scanner for close range 3d mapping Proceddia Engineering, Vilnus,

7 7. Wrona M., Concept and results of testing accuracy of f5-mvp handheld scanner for 3d closerange mapping, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM Proceedings Wrona M., Close range surveying with nir handheld scanner, 14th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM Proceedings