Skanowanie trójwymiarowej przestrzeni pomieszczeñ

Transkrypt

1 AUTOMATYKA 2008 Tom 12 Zeszyt 3 S³awomir Je ewski*, Micha³ Jaros* Skanowanie trójwymiarowej przestrzeni pomieszczeñ 1. Wprowadzenie Obecnie w erze komputerów, które pozwalaj¹ na wizualizacje scen nie tylko dwuwymiarowych, ale równie przestrzennych, coraz czêœciej pragniemy odzwierciedlaæ obraz trójwymiarowy. Aby zachowaæ obserwowan¹ przestrzeñ, przenieœæ j¹ do komputera, mo emy albo tak¹ scenê rêcznie utworzyæ za pomoc¹ odpowiedniego programu, oczywiœcie dbaj¹c o zachowanie wymiarów oraz kolorów, albo pos³u yæ siê odpowiednio zbudowanym urz¹dzeniem pozwalaj¹cym na skanowanie. Rêczne utworzenie modelu wiernie oddaj¹cego rzeczywistoœæ jest zadaniem bardzo pracoch³onnym, wymagaj¹cym znajomoœci wymiarów wszystkich obiektów w odzwierciedlanej scenie lub rêcznego mierzenia tych e obiektów. U ycie skanera 3D znacznie upraszcza to zadanie. Skanery przestrzeni 3D s¹ obiektem ci¹g³ych badañ i podlegaj¹ nieustannemu rozwojowi. Urz¹dzenia te znalaz³y ju wiele zastosowañ. Przyk³adowo mo na tu wymieniæ takie dziedziny jak rozrywka, multimedia, robotyka i automatyka, kartografia, geodezja oraz techniki wojskowe. 2. Metody skanowania przestrzeni 3D Jest wiele metod wykorzystywanych do skanowania przestrzeni, jednak adna z nich nie jest doskona³a. Ka da metoda skanowania przestrzeni ma swoje mocne i s³abe strony. Dlatego w zale noœci od konkretnego zagadnienia wybiera siê metodê najbardziej optymaln¹. W dalszej czêœci artyku³u przedstawiono najpopularniejsze metody skanowania przestrzeni w kontekœcie zagadnienia skanowania pomieszczeñ Metoda stereowizyjna W metodzie tej wykorzystuje siê uk³ad dwóch kamer do obserwacji/skanowania przestrzeni (rys. 1a). Konstrukcja ta jest analogi¹ systemu wzrokowego cz³owieka. Ze wzglêdu * Katedra Informatyki Stosowanej, Politechnika ódzka 669

2 670 S³awomir Je ewski, Micha³ Jaros na przesuniêcie wzglêdem siebie kamer w uk³adzie stereowizyjnym, ka da z nich bêdzie rejestrowa³a delikatnie odmienny obraz sceny. Na podstawie ró nic w zarejestrowanych obrazach wyznaczane s¹ odleg³oœci do obserwowanych obiektów. a) b) c) Rys. 1. Metody skanowania przestrzeni trójwymiarowej: a) metoda stereowizyjna; b) metoda wykorzystuj¹ca oœwietlenie strukturalne; c) metoda triangulacji laserowej ród³o Stosunkowo najprostsz¹ metod¹ uzyskania informacji o g³êbi sceny na podstawie obrazów stereowizyjnych jest triangulacja. W metodzie tej na podstawie po³o enia obrazów punktu na obrazach pochodz¹cych z kamer oraz znajomoœci parametrów uk³adu kamer, mo- emy wyznaczyæ po³o enie tego punktu w przestrzeni 3D. Problemem w stereowizji jest odnajdywanie po³o enia odpowiadaj¹cych sobie punktów na obrazach z kamer. Metody u ywane do tego celu mo na podzieliæ na [1]: 1) metody bezpoœrednie, 2) bazuj¹ce na detekcji cech. Metody bezpoœrednie operuj¹ na bezpoœrednim przetwarzaniu pikseli obrazu. Natomiast metody bazuj¹ce na detekcji cech najpierw analizuj¹ obraz w poszukiwaniu elementów charakterystycznych takich jak krawêdzie lub te rogi, aby wykorzystaæ je w procesie dopasowywania. Najwa niejsze zalety metody stereowizyjnej to: bezinwazyjnoœæ bazujemy jedynie na naturalnym oœwietleniu sceny, prosta konstrukcja skanera w postaci dwóch kamer oraz stosunkowo niski koszt pomiaru. Natomiast do wad tego rozwi¹zania nale y zaliczyæ: stosunkowo ma³¹ dok³adnoœæ pomiaru oraz du ¹ z³o onoœæ obliczeniow¹ i pamiêciow¹ algorytmów Metoda czasu przelotu Skaner wykorzystuj¹cy zale noœæ czasowo-odleg³oœciow¹ (time-of-flight czasu przelotu) w procesie skanowania u ywa œwiat³a laserowego. Kluczowy w tej metodzie jest laserowy pomiar odleg³oœci pomiêdzy skanerem a obiektem skanowanym. Aby zmierzyæ tê odleg³oœæ, wysy³any jest ze skanera impuls œwiat³a laserowego, nastêpnie mierzony jest czas pomiêdzy wys³aniem impulsu a dotarciem do detektora œwiat³a odbitego od przeszkody.

3 Skanowanie trójwymiarowej przestrzeni pomieszczeñ 671 Znaj¹c czas przelotu œwiat³a od skanera do przeszkody i z powrotem oraz prêdkoœæ œwiat³a, potrafimy obliczyæ odleg³oœæ pomiêdzy skanerem a obiektem skanowanym. ct d = 2 gdzie: d odleg³oœæ pomiêdzy skanerem a skanowanym punktem, c prêdkoœæ œwiat³a, t czas od wys³ania impulsu œwietlnego do otrzymania œwiat³a odbitego. (1) Korzystaj¹c z równania (1) mo na obliczyæ odleg³oœæ od skanera do punktu skanowanego. Dok³adnoœæ takiego pomiaru zale y jedynie od dok³adnoœci wyznaczenia czasu przelotu impulsu œwietlnego. Zalet¹ tej metody jest stosunkowo du a dok³adnoœæ rzêdu kilku centymetrów oraz szeroki zakres pomiarowy wynosz¹cy od kilku metrów do nawet kilku kilometrów. Natomiast wadami tej metody s¹ z³o ona konstrukcja skanera, a co za tym idzie, wysoka cena skanerów opartych na niej oraz stosunkowo d³ugi czas skanowania, wynikaj¹cy z mo liwoœci skanowania tylko jednego punktu na raz Metoda wykorzystuj¹ca oœwietlenie strukturalne Metoda wykorzystuj¹ca oœwietlenie strukturalne przypomina pod pewnymi wzglêdami metodê stereowizyjn¹. Z t¹ ró nic¹, e w przy oœwietleniu strukturalnym zamiast drugiej kamery mamy Ÿród³o œwiat³a (np. projektor CCD), które oœwietla skanowan¹ scenê (rys. 1b) [3]. Scena jest oœwietlana specyficznym wzorem. W obrazie pochodz¹cym z kamery odnajdywane s¹ elementy wzoru œwietlnego rzucanego przez projektor na skanowany obiekt. Na tej podstawie obliczane s¹ k¹ty w trójk¹cie utworzonym przez kamerê, projektor oraz punkt obiektu. Znaj¹c odleg³oœæ pomiêdzy kamer¹ a projektorem, jesteœmy w stanie wyznaczyæ po³o enie danego punktu w przestrzeni. Najwa niejszymi zaletami tej metody s¹: prosta konstrukcja oparta na kamerze oraz projektorze, stosunkowo niski koszt pomiaru oraz stosunkowo prosty algorytm. Natomiast do wad tego rozwi¹zania nale y zaliczyæ wzglêdnie niewielk¹ dok³adnoœæ oraz specjalne wymagania co do oœwietlenia skanowanej sceny Metoda triangulacji laserowej Skanery 3D wykorzystuj¹ce triangulacjê oœwietlaj¹ skanowany obiekt wi¹zk¹ lasera i u ywaj¹ kamery do okreœlenia po³o enia punktu lasera. W zale noœci od odleg³oœci pomiêdzy skanerem a obiektem, punkt laserowy jest widoczny w ró nych miejscach obrazu z kamery (rys. 1c). Aby przyœpieszyæ proces skanowania, u ywa siê generatora linii laserowej zamiast standardowego lasera punktowego. Dziêki temu w trakcie pojedynczego pomiaru otrzymujemy informacje o po³o eniu wielu punktów, a skanowanie wszystkich punktów w przestrzeni skanera wymaga tylko jednej osi obrotu skanera.

4 672 S³awomir Je ewski, Micha³ Jaros Zalety metody wykorzystuj¹cej triangulacjê laserow¹ to: prosta konstrukcja skanera oparta na kamerze i znaczniku laserowym, proste algorytmy dla obs³ugi skanera. Natomiast wadami tej metody s¹: niezbyt du a dok³adnoœæ oraz mo liwoœæ skanowania jedynie ograniczonej grupy punktów na raz. 3. Skaner pomieszczeñ 3.1. Opis skanera Skanowanie pomieszczeñ jest szczególnym przypadkiem skanowania przestrzeni trójwymiarowej. Znajduje ono zastosowanie w szczególnoœci do celów wizualizacji i prezentacji wnêtrz przy wykorzystaniu rzeczywistoœci wirtualnej. Model pomieszczenia tworzony na te potrzeby nie musi byæ wykonany z bardzo du ¹ precyzj¹, natomiast sam skaner powinien byæ stosunkowo prosty i niedrogi. Przedstawione za³o enia spe³nia metoda triangulacji laserowej oraz skanery j¹ wykorzystuj¹ce. Dlatego w trakcie konstruowania skanera pomieszczeñ zdecydowano siê na wybór tej metody skanowania. Ca³e urz¹dzenie sk³ada siê z obrotowej platformy, na której zamontowano kamerê, oraz znacznika laserowego w postaci diodowego generatora linii laserowej (rys. 2a) [4]. Obrót platformy jest zapewniony przez silnik krokowy. a) b) Rys. 2. Skaner pomieszczeñ wykorzystuj¹cy metodê triangulacji laserowej: a) konstrukcja mechaniczna skanera; b) wynik skanowania pomieszczenia Najwa niejszym elementem przetwarzania danych pochodz¹cych z skanera jest algorytm odnajduj¹cy obraz lasera na obrazie pochodz¹cym z kamery. Zastosowano tutaj algorytm ró nicowy [2]. Wykonywane s¹ dwa zdjêcia skanowanej sceny jedno z w³¹czonym laserem i jedno z wy³¹czonym. Nastêpnie wyznaczany jest obraz ró nicowy, na którym laser jest bardzo dobrze widoczny i ³atwy do odszukania. Dalej na podstawie po³o enia obrazu lasera na obrazie z kamery wyznaczane jest po³o enie poszczególnych punktów oœwietlonych przez laser w przestrzeni trójwymiarowej.

5 Skanowanie trójwymiarowej przestrzeni pomieszczeñ 673 Skonstruowany skaner spe³ni³ wszystkie postawione wymagania dla skanera pomieszczeñ. Jego konstrukcja jest mo liwie prosta i niedroga. Uzyskana dok³adnoœæ pomiaru jest równie na zadowalaj¹cym poziomie Parametry skanera W skonstruowanym skanerze zosta³a zastosowana kamera ProgRes C10 plus. Pozwala ona na uzyskiwanie obrazów w rozdzielczoœci do pikseli z rozdzielczoœci¹ 12 bitów na ka dy kana³ koloru. Jako znacznika laserowego u yto diodowego generatora linii laserowej, ustawionego tak, aby dawa³ pionow¹ kreskê lasera. W rezultacie z pojedynczego obrazu kamery mo na otrzymaæ 1542 punkty pomiarowe. Za obrót skanera odpowiedzialny jest silnik krokowy FL57ST sterowany pó³krokowo. Napêd z silnika na g³ówn¹ czêœæ skanera jest przekazywany za pomoc¹ przek³adni pasowej. Na pe³ny obrót skanera potrzebne s¹ 1333 kroki. W zwi¹zku z czym, chmura punktów powsta³a w wyniku pe³nego skanowania zawiera punktów. Niestety poniewa czas akwizycji pojedynczego obrazu dla zastosowanej kamery jest dosyæ d³ugi, to pe³ne skanowanie pomieszczenia zajmuje oko³o 45 minut. Dziêki zastosowaniu kolorowej kamery, w wyniku skanowania otrzymywana jest zarówno informacja o kszta³cie/wielkoœci skanowanego obiektu/pomieszczenia, jak i informacja o kolorach poszczególnych punktów. W rezultacie otrzymywany model stwarza bardziej realistyczne wra enie. Niepewnoœæ wyznaczenia wspó³rzêdnych skanowanych punktów dla pomieszczenia wielkoœci 7 7m jest na poziomie poni ej 5 cm. Niedok³adnoœæ ta wynika z kwantowania obrazu w kamerze i jest zale na od parametrów skanera, przede wszystkim ogniskowej obiektywu oraz odleg³oœci pomiêdzy kamer¹ i laserem, jak równie zale y od odleg³oœci do skanowanego obiektu. 4. Podsumowanie Podsumowuj¹c, mo na stwierdziæ, zastosowana metoda triangulacji laserowej wydaje siê obiecuj¹ca do skanowania obiektów œredniej wielkoœci takich jak pomieszczenia. Pozwala ona na uzyskanie podobnych dok³adnoœci co metody stereoskopowe przy jednoczesnym zastosowaniu znacznie prostszych algorytmów przetwarzania obrazów. Dalszego rozwoju wymaga algorytm odnajdywania lasera na obrazie z kamery, który jest stosunkowo ma³o dok³adny i czasoch³onny. Literatura [1] Cyganek B., Komputerowe przetwarzanie obrazów trójwymiarowych. EXIT, [2] Tadeusiewicz R., Korohoda P., Komputerowa analiza i przetwarzanie obrazów. Kraków, Wydawnictwo Fundacji Postêpu Telekomunikacji [3] Brian Curless, VI (odnoœnik internetowy). [4] Jaros M., Skanowanie przestrzenne pomieszczeñ za pomoc¹ uk³adu kamery wysokiej rozdzielczoœci i lasera. Katedra Informatyki Stosowanej Politechniki ódzkiej, 2007 (praca magisterska).