تحديد الموقع البصري

الموسوعة الحرة
متجه التدفق البصري لجسم متحرك في تسلسل فيديو

في مجال الروبوتات ورؤية الحاسوب ، تُعرف عملية تحديد الموقع البصري بأنها عملية تحديد موقع واتجاه الروبوت أو أي نظام حاسوبي آخر من خلال تحليل مجموعة من الصور الملتقطة بواسطة كاميرا النظام لبيئته. وقد استُخدمت هذه التقنية في مجموعة واسعة من تطبيقات الروبوتات، مثل مركبات استكشاف المريخ الجوالة . [ 1 ]

تشمل استخدامات قياس المسافة البصرية الواقع المعزز والروبوتات. [ 2 ]

يُطلق عليه اسم قياس المسافة البصرية بالقصور الذاتي ( VIO ) إذا كان يستخدم وحدة قياس بالقصور الذاتي.

ملخص

في مجال الملاحة ، يُستخدم قياس المسافة المقطوعة لتقدير تغير الموقع بمرور الوقت من خلال أجهزة مثل المشفرات الدورانية لقياس دوران العجلات. ورغم فائدته للعديد من المركبات ذات العجلات أو المجنزرة، إلا أن تقنيات قياس المسافة المقطوعة التقليدية لا يمكن تطبيقها على الروبوتات المتحركة ذات أساليب الحركة غير التقليدية، مثل الروبوتات ذات الأرجل . إضافةً إلى ذلك، يعاني قياس المسافة المقطوعة عمومًا من مشاكل في الدقة، نظرًا لانزلاق العجلات على الأرض، مما يُؤدي إلى مسافة غير منتظمة مُقاسة مقارنةً بدوران العجلات. ويتفاقم هذا الخطأ عند تشغيل المركبة على أسطح غير ملساء. وتصبح قراءات قياس المسافة المقطوعة أقل موثوقية مع تراكم هذه الأخطاء بمرور الوقت.

تُعرف تقنية تحديد المسافة البصرية بأنها عملية تحديد معلومات المسافة المكافئة باستخدام صور متتابعة من الكاميرا لتقدير المسافة المقطوعة. وتتيح هذه التقنية دقة ملاحية محسّنة للروبوتات أو المركبات التي تستخدم أي نوع من أنواع الحركة على أي سطح.

الأنواع

توجد أنواع مختلفة من VO.

أحادي وستيريو

اعتمادًا على إعداد الكاميرا، يمكن تصنيف VO على أنه أحادي العدسة (كاميرا واحدة)، وستيريو VO (كاميرتان في إعداد ستيريو).

يستخدم نظام VIO على نطاق واسع في الطائرات الرباعية التجارية، مما يوفر تحديد الموقع في حالات انقطاع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

الأسلوب المباشر والقائم على السمات

تُستخلص المعلومات المرئية التقليدية في مجال الرؤية البصرية باستخدام طريقة تعتمد على الميزات، حيث تُستخرج نقاط ميزات الصورة وتُتتبع في سلسلة الصور. وقد وفرت التطورات الحديثة في أبحاث الرؤية البصرية بديلاً يُسمى الطريقة المباشرة، والتي تستخدم شدة البكسل في سلسلة الصور مباشرةً كمدخلات مرئية. كما توجد طرق هجينة.

قياس المسافة بالقصور الذاتي البصري

إذا تم استخدام وحدة قياس بالقصور الذاتي (IMU) داخل نظام VO، فإنه يشار إليه عادة باسم قياس المسافة بالقصور الذاتي البصري (VIO).

الخوارزمية

تعتمد معظم الطرق الحالية لتحديد المسافة البصرية على المراحل التالية.

  1. الحصول على الصور المدخلة: باستخدام كاميرات مفردة ، [ 3 ] [ 4 ] أو كاميرات ستيريو ، [ 4 ] [ 5 ] أو كاميرات متعددة الاتجاهات . [ 6 ] [ 7 ]
  2. تصحيح الصورة: تطبيق تقنيات معالجة الصور لإزالة تشوه العدسة، وما إلى ذلك.
  3. اكتشاف الميزات : تحديد عوامل الاهتمام، ومطابقة الميزات عبر الإطارات، وإنشاء مجال التدفق البصري .
    1. استخلاص الميزات والربط بينها.
    2. إنشاء مجال التدفق البصري ( طريقة لوكاس-كانادي ).
  4. تحقق من متجهات حقل التدفق بحثًا عن أخطاء التتبع المحتملة وقم بإزالة القيم الشاذة. [ 8 ]
  5. تقدير حركة الكاميرا من التدفق البصري. [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
    1. الخيار 1: مرشح كالمان لصيانة توزيع تقدير الحالة.
    2. الخيار الثاني: إيجاد الخصائص الهندسية والثلاثية الأبعاد للميزات التي تقلل دالة التكلفة بناءً على خطأ إعادة الإسقاط بين صورتين متجاورتين. يمكن القيام بذلك عن طريق التقليل الرياضي أو أخذ عينات عشوائية .
  6. إعادة ملء نقاط التتبع بشكل دوري للحفاظ على التغطية عبر الصورة.

يُعدّ أسلوب تحديد الموقع البصري "المباشر" أو القائم على المظهر بديلاً عن الأساليب القائمة على الميزات، حيث يُقلّل هذا الأسلوب الخطأ مباشرةً في فضاء المستشعر، وبالتالي يتجنّب مطابقة الميزات واستخراجها. [ 5 ] [ 13 ] [ 14 ]

هناك طريقة أخرى، تُسمى "قياس الحركة البصرية"، تُقدّر عمليات الدوران والانتقال المستوية بين الصور باستخدام ارتباط الطور بدلاً من استخراج الميزات. [ 15 ] [ 16 ]

الحركة الذاتية

تقدير الحركة الذاتية باستخدام اكتشاف الزوايا

تُعرَّف الحركة الذاتية بأنها الحركة ثلاثية الأبعاد للكاميرا داخل بيئة معينة. [ 17 ] في مجال رؤية الحاسوب ، تشير الحركة الذاتية إلى تقدير حركة الكاميرا بالنسبة إلى مشهد ثابت. [ 18 ] ومن أمثلة تقدير الحركة الذاتية تقدير موقع السيارة المتحرك بالنسبة إلى خطوط الطريق أو إشارات المرور التي تُرى من داخل السيارة نفسها. يُعد تقدير الحركة الذاتية مهمًا في تطبيقات الملاحة الذاتية للروبوتات . [ 19 ]

ملخص

يهدف تقدير الحركة الذاتية للكاميرا إلى تحديد حركتها ثلاثية الأبعاد داخل البيئة باستخدام سلسلة من الصور الملتقطة بها. [ 20 ] تتضمن عملية تقدير حركة الكاميرا داخل البيئة استخدام تقنيات قياس المسافة البصرية على سلسلة من الصور الملتقطة بواسطة الكاميرا المتحركة. [ 21 ] ويتم ذلك عادةً باستخدام تقنية كشف الميزات لإنشاء تدفق بصري من إطارين صوريين متتاليين [ 17 ] مُولَّدين إما من كاميرات منفردة أو كاميرات ستيريو. [ 21 ] يساعد استخدام أزواج الصور الستيريو لكل إطار على تقليل الخطأ وتوفير معلومات إضافية عن العمق والمقياس. [ 22 ] [ 23 ]

تُكتشف المعالم في الإطار الأول، ثم تُطابق في الإطار الثاني. تُستخدم هذه المعلومات بعد ذلك لإنشاء حقل التدفق البصري للمعالم المكتشفة في هاتين الصورتين. يوضح حقل التدفق البصري كيفية تباعد المعالم من نقطة واحدة، وهي بؤرة التوسع . يمكن تحديد بؤرة التوسع من حقل التدفق البصري، مما يشير إلى اتجاه حركة الكاميرا، وبالتالي يوفر تقديرًا لحركتها.

توجد طرق أخرى لاستخراج معلومات الحركة الذاتية من الصور أيضًا، بما في ذلك طريقة تتجنب اكتشاف الميزات وحقول التدفق البصري وتستخدم شدة الصورة مباشرة. [ 17 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مايمون، م.؛ تشينغ، ي.؛ ماثيس، ل. (2007). "عامان من قياس المسافة البصرية على متن مركبات استكشاف المريخ" (ملف PDF) . مجلة الروبوتات الميدانية . 24 (3): 169-186 . CiteSeerX 10.1.1.104.3110 . doi : 10.1002/rob.20184 . S2CID 17544166. تاريخ الاسترجاع : 10 يوليو 2008 .  
  2. ↑ "معيار TUM VI لتقييم قياس المسافة البصرية بالقصور الذاتي" . IEEE Xplore . 2019-01-06 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2025-12-20 .
  3. ↑ تشانيارا، سافان؛ كاسبار ألثوفر؛ لاكمال د. سينيفيراتني (2008). "تقنية تحديد الموقع البصري باستخدام تحديد العلامات الدائرية لتقدير معلمات الحركة" . التطورات في مجال الروبوتات المتنقلة: وقائع المؤتمر الدولي الحادي عشر حول الروبوتات المتسلقة والسائرة وتقنيات دعم الآلات المتنقلة، كويمبرا، البرتغال . المؤتمر الدولي الحادي عشر حول الروبوتات المتسلقة والسائرة وتقنيات دعم الآلات المتنقلة . المجلد 11. وورلد ساينتيفيك، 2008. مؤرشف من الأصل في 24 فبراير 2012. تم الاسترجاع في 22 يناير 2010 . 
  4. 1 2 نيستر، د؛ ناروديتسكي، أ؛ بيرغن، ج (يناير 2004). تحديد الموقع البصري . رؤية الحاسوب والتعرف على الأنماط، 2004. CVPR 2004. المجلد 1. الصفحات من 652 إلى 659. doi : 10.1109/CVPR.2004.1315094 .  
  5. 1 2 كومبورت، إيه آي؛ ماليس، إي؛ ريفز، ب. (2010). إف. شوميت؛ ب. كورك؛ ب. نيومان (محررون). "قياس المسافة البصرية رباعية البؤرة في الوقت الحقيقي". المجلة الدولية لأبحاث الروبوتات . 29 ( 2-3 ): 245-266 . CiteSeerX 10.1.1.720.3113 . doi : 10.1177/0278364909356601 . S2CID 15139693 .  
  6. ↑ سكاراموزا، د.؛ سيغارت، ر. (أكتوبر 2008). "تحديد الموقع البصري أحادي العدسة متعدد الاتجاهات الموجه بالمظهر للمركبات الأرضية الخارجية". معاملات IEEE في مجال الروبوتات . 24 (5): 1015-1026 . Bibcode : 2008ITRob..24.1015S . doi : 10.1109/TRO.2008.2004490 . hdl : 20.500.11850/14362 . S2CID 13894940 . 
  7. ↑ كورك، ب.؛ ستريلو، د.؛ سينغ، س. "قياس المسافة البصرية متعدد الاتجاهات لمركبة جوالة كوكبية". وقائع المؤتمر الدولي للروبوتات والأنظمة الذكية، 2004 (IROS 2004). المجلد 4. doi : 10.1109/IROS.2004.1390041 . 
  8. ↑ كامبل، ج.؛ سوكثانكار، ر.؛ نوربخش، إ.؛ بيتسبرغ، آي آر. "تقنيات تقييم التدفق البصري لتحديد المسافة البصرية في التضاريس الوعرة". وقائع المؤتمر الدولي للروبوتات والأنظمة الذكية، 2004 (IROS 2004). المجلد 4. doi : 10.1109/IROS.2004.1389991 . 
  9. ^ سندرهاوف، ن.؛ كونوليج، ك.؛ لاكروا، S .؛ بروتزل، ب. (2005). “قياس المسافة المرئية باستخدام تعديل الحزمة المتناثرة على مركبة خارجية مستقلة”. في ليفي؛ شانز. لافرينز. أفروتين (محرران). Tagungsband Autonome Mobile System 2005 (PDF) . تحديث المعلوماتية الحالية. سبرينغر فيرلاغ. ص 157 – 163. مؤرشفة من الأصلي (PDF) بتاريخ 2009-02-11 . تم الاسترجاع 2008-07-10 . 
  10. ↑ كونوليج، ك.؛ أغراوال، م.؛ بولز، ر. س.؛ كوان، س.؛ فيشلر، م.؛ جيركي، ب. ب. (2008). "رسم الخرائط والملاحة في الهواء الطلق باستخدام الرؤية المجسمة". الروبوتات التجريبية . سلسلة منشورات سبرينغر في الروبوتات المتقدمة. المجلد 39. الصفحات 179-190 . doi : 10.1007/978-3-540-77457-0_17 . ISBN   978-3-540-77456-3.
  11. ↑ أولسون، سي إف؛ ماثيس، إل؛ شوبرز، إم؛ مايمون، إم دبليو (2002). "ملاحة المركبة الجوالة باستخدام الحركة الذاتية المجسمة" (ملف PDF) . الروبوتات والأنظمة المستقلة . 43 (4): 215-229 . doi : 10.1016/s0921-8890(03)00004-6 . تاريخ الاسترجاع: 2010-06-06 .
  12. ↑ تشنغ، ي.؛ مايمون، م. و.؛ ماثيس، ل. (2006). "قياس المسافة البصرية على متن مركبات استكشاف المريخ". مجلة IEEE للروبوتات والأتمتة . 13 (2): 54-62 . CiteSeerX 10.1.1.297.4693 . doi : 10.1109/MRA.2006.1638016 . S2CID 15149330 .  
  13. ↑ إنجل، جاكوب؛ شوبس، توماس؛ كريمرز، دانيال (2014). "LSD-SLAM: نظام SLAM أحادي العدسة مباشر واسع النطاق" (ملف PDF) . في: فليت، د.؛ باجدلا، ت.؛ شيل، ب.؛ تويتيلارز، ت. (محررون). رؤية الحاسوب . المؤتمر الأوروبي لرؤية الحاسوب 2014. سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 8690. doi : 10.1007/978-3-319-10605-2_54 . 
  14. ↑ إنجل، جاكوب؛ ستورم، يورغن؛ كريمرز، دانيال (2013). "قياس المسافة البصرية شبه الكثيفة لكاميرا أحادية العدسة" (ملف PDF) . المؤتمر الدولي لهندسة الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) حول رؤية الحاسوب (ICCV) . CiteSeerX 10.1.1.402.6918 . doi : 10.1109/ICCV.2013.183 . 
  15. ↑ زمان، م. (2007). "تحديد الموقع النسبي عالي الدقة باستخدام كاميرا واحدة". وقائع المؤتمر الدولي لهندسة الروبوتات والأتمتة لعام 2007، معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . الصفحات 3908-3914 . doi : 10.1109/ROBOT.2007.364078 . ISBN  978-1-4244-0602-9.
  16. ↑ زمان، م. (2007). "تحديد الموقع النسبي عالي الدقة باستخدام كاميرتين". مجلة الروبوتات والأنظمة المستقلة . 55 (9): 685-692 . doi : 10.1016/j.robot.2007.05.008 .
  17. 1 2 3 إيراني، م.؛ روسو، ب.؛ بيليغ، س. (يونيو 1994). "استعادة الحركة الذاتية باستخدام تثبيت الصورة" (ملف PDF) . مؤتمر جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) حول رؤية الحاسوب والتعرف على الأنماط : 21-23 . تم الاطلاع عليه في 7 يونيو 2010 .
  18. ↑ برجر، دبليو؛ بهانو، بي. (نوفمبر 1990). "تقدير الحركة الذاتية ثلاثية الأبعاد من سلسلة صور منظور". معاملات IEEE في تحليل الأنماط والذكاء الآلي . 12 (11): 1040-1058 . doi : 10.1109/34.61704 . S2CID 206418830 . 
  19. ↑ شاكرنيا، أ.؛ فيدال، ر.؛ شانكار، س. (2003). "تقدير الحركة الذاتية متعددة الاتجاهات من تدفق الإسقاط العكسي" (ملف PDF) . ورشة عمل مؤتمر رؤية الحاسوب والتعرف على الأنماط لعام 2003. المجلد 7. ص 82. CiteSeerX 10.1.1.5.8127 . doi : 10.1109/CVPRW.2003.10074 . S2CID 5494756. تاريخ الاسترجاع: 7 يونيو 2010 .    
  20. ↑ تيان، ت.؛ توماسي، س.؛ هيغر، د. (1996). "مقارنة مناهج حساب الحركة الذاتية" (ملف PDF) . مؤتمر جمعية مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) حول رؤية الحاسوب والتعرف على الأنماط : 315. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 أغسطس 2008. تم الاطلاع عليه في 7 يونيو 2010 .
  21. 1 2 ميليلا، أ.؛ سيغارت، ر. (يناير 2006). "تقدير الحركة الذاتية القائم على الصور المجسمة باستخدام تتبع البكسل ونقطة أقرب تكرارية" (ملف PDF) . المؤتمر الدولي لهندسة أنظمة رؤية الحاسوب IEEE : 21. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 17 سبتمبر 2010. تم الاطلاع عليه في 7 يونيو 2010 .
  22. ↑ أولسون، سي إف؛ ماثيس، إل؛ شوبرز، إم؛ ميمونب، إم دبليو (يونيو 2003). "ملاحة المركبة الجوالة باستخدام الحركة الذاتية المجسمة" (ملف PDF) . الروبوتات والأنظمة المستقلة . 43 (9): 215-229 . doi : 10.1016/s0921-8890(03)00004-6 . تاريخ الاسترجاع: 7 يونيو 2010 .
  23. ↑ دينيش، سودين؛ كوتيسوارا راو، ك.؛ أونيكريشنان، مانجو؛ بريندا ف؛ لاليتامبيكا ف ر؛ ديكان، م ف (2013). "تحسينات في خوارزمية تحديد الموقع البصري لمركبات استكشاف الكواكب". المؤتمر الدولي لعام 2013 حول الاتجاهات الناشئة في الاتصالات والتحكم ومعالجة الإشارات وتطبيقات الحوسبة (C2SPCA) . الصفحات 1-6 . doi : 10.1109/C2SPCA.2013.6749359 . ISBN  978-1-4799-1085-4.