Scanner povrchu zeme

Cieľom práce je navrhnúť a zrealizovať systém, ktorý zmeria všetky nerovnosti časti povrchu zeme, ako sú kopce a priehlbiny, spolu so všetkými objektami (domy, stromy...), ich rozmery a vzdialenosti medzi nimi a vytvorí 3D model sledovanej oblasti.

Systém nachádza uplatnenie napr. v plánovaní trajektórie pohybu autonómnych zariadení, kde charakteristika prostredia preletu musí byť vopred známa, aby bola možná správna voľba trasy, alebo v stavebníctve, kde umožňuje virtuálne plánovanie.

Scanovanie povrchu Zeme sa vykonáva počas preletu nad sledovanou oblasťou. Zariadenie pre scanovanie je nesené lietajúcim prostriedkom (v našom prípade vzducholoď, na ktorej vývoji pracuje tím z oddelenia PRT). Pre meranie je použitý laserový scanner. Princíp laserového merania je zvolený kvôli jeho okamžitej odozve po vyslaní laserového lúča a veľmi malej chybe v meraní vzdialeností (tolerancia rádovo v cm).

Princíp scanovania

Pre meranie musí byť jednoznačne známa poloha na Zemi (definovanie polohy v NED súradniciach North, East, Down) a tiež samotné náklony a uhlové pootočenia Roll, Pitch, Yaw. Na základe týchto údajov a údajov z laserscannera vieme vypočítať polohu X, Y, Z (N, E, D) každého laserom zachyteného bodu.

Pri scanovaní vznikajú v dôsledku nepriamočiareho pohybu namerané vzorky nepravidelne a chaoticky. V niektorých miestach sa môžu prekrývať a iné nemusia byť vôbec zachytené. Preto je potrebné zmeranú plochu rozparcelovať a jednotlivé parcely, v ktorých sa nachádza viac bodov, alebo naopak žiadny, odfiltrovať a nahradiť najvhodnejšou hodnotou na základe okolia.

Postup prepočítavania dát

Zhoda podoby modelu s reálnym tvarom povrchu v najväčšej miere závisí od presnosti informácií o polohe prijatých od lietajúceho zariadenia. Pokiaľ nie sú presné, dochádza k zaokrúhľovaniu a zániku detailov.

Pre pokusy bol využívany laserový scanner UTM – 30LX od HOKUYO AUTOMATIC CO., LTD. Jeho efektívny dosah je 30m (max 60m, v závislosti od typu povrchu). Na obrázku je výsledný 3D model testu scanovania v laboratóriu z výšky 1,5m.

Laser sensor UMT-30LX - test

Niektore technicke specifikacie:

  • Komunikacia s PC cez USB port
  • Napajanie DC 12V
  • Doba vykonania jedneho scanu 25ms
  • Hustota snimanych bodov: 1081 v rozptyle 270°
  • Pracovna vzdialenost: 23 – 60 000mm (neoverene)

Test presnosti merania lasera: test presnosti lasera.doc Meranie

vyuzivana kniznica c_urg.lib C-file: scanning.c Program prijme 200 scanov so sirkou 254 bodov (vybrana oblast 413 - 667 y celkoveho poctu 1081 bodov). Nacitane data zapise do suboru .txt M-file: read_laser_data3D.m

Predmet snimania stol s klavesnicou. Laser bol drzany v ruke. Grafy su vysledkom len jednoducheho testu s umyslom ozivit zariadenie a osvojit si jeho funkciu. Na zobrazenie nie su aplikovane ziadne vyssie matemeticke vztahy pre vyhladenie a skvalitnenie obrazu. Tiez nebola zabezpecena ziadna synchronizacia ziskanych dat z lasera s datami o jeho fyzickom stave vzhladom k snimanej ploche (poloha, naklon vo vsetkych osiach).

Vyhladenie obrazu

Vybrané metódy filtrácie

Podľa matematických vlastností môžeme metódy filtrovania rozdeliť na:

  • lineárne metódy – novú hodnotu pixlu počítajú ako lineárnu kombináciu vstupných pixlov
  • nelineárne metódy – všetky ostatné, ktoré sa nedajú vyjadriť pomocou lineárnej kombinácie

Podľa charakteru spracovania obrazu ich môžeme rozdeliť na:

  • vyhladzujúce filtre – tieto metódy sú používané na potlačenie šumu v obraze
  • hranové filtre (detektory) – využívajú sa na detekciu hrán objektov

My sme sa zatial zaoberali len vyhladzujúcimi filtrami. Mnoho týchto filtrov rozostruje hrany, avšak neustále sa vyvíjajú nové metódy, ktoré odstraňujú tento nedostatok. Najjednoduchšou metódou vyhladzovania je použiť filtre, ktoré sú vyjadrené pomocou konvolučnej masky alebo konvolučného jadra.

Konvolúcia je metóda, pri ktorej je výsledná hodnota pixlu c[x, y] vypočítaná ako vážený priemer vstupných hodnôt pixlov a[x–j, y–i] nachádzajúcich sa v M×N obdĺžnikovom okolí tohto pixlu. Konvolúciu v diskrétnom priestore môžeme zapísať v tvare [DELFT]:

Predošlé filtre dobre potlačujú šum, avšak v značnej miere rozmazávajú hrany objektov.Tieto metódy možno vylepšiť, aby menej rozostrovali hrany. Myšlienka spočíva v tom, že rozdiel medzi novou a starou hodnotou pixlu nesmie presahovať zvolenú prahovú hodnotu T.

Ak prahovú hodnotu presahuje, použijeme namiesto vypočítanej hodnoty, hodnotu pixlu vstupného obrazu. Ďalšie metódy majú za cieľ zachovať schopnosť potlačovať šum ale pritom obmedziť ich nežiadúci vplyv na hrany objektov v obraze. Sú to nelineárne metódy vyhladzovania.

Metóda mediánového priemeru - nová hodnota pixlu sa vypocíta ako medián postupnosti hodnot pixlov zvolenej symetrickej masky. Metóda rotujúcej masky - podobná ako v predoslom prípade no tento raz s nesymetrickou maskou. Táto nesymetrickosť nám umožňuje položiť masku na obrazovú predlohu štyrmi rôznymi spôsobmi, ktoré vzniknú otočením masky o pravý uhol v zvolenom bode masky.

Pri každom položení masky vypočítame metódou priemeru novú hodnotu pixlu. Výslednú hodnotu pixlu, zo štyroch možných zvolíme takú, ktorá sa čo najmenej líši od pôvodnej hodnoty pixlu vstupného obrazu. Jestvuje i modifikácia, pri ktorej sa používa 8-polohová rotujúca maska [BLAZ].

5x vyhladenie medianovym priemerom 5x vyhladenie rotujucou maskou Pri vyhladzovani bola pouzita v oboch pripadoch konvolucna maska 3x3. Metoda vyhladenia rotujucou maskou je jasne vyhodnejsia. Nema taky vyhladzujuci ucinok ako metoda medianovym priemerom, co je vsak dolezitejsie, lepsie zachovava hrany.

arrow up
arrow up
.
.
.
Prihlásenie
.
.
.
Fórum
.
.
.
Mapa stránok