УДК 004.896

ОЦЕНКА ВОСПРИЯТИЯ ГЛУБИНЫ РАЗНЫМИ ВИДАМИ МАШИННОГО ЗРЕНИЯ

Шеломенцева Инга Георгиевна1, Якасова Наталья Викторовна2
1Хакасский государственный университет им. Н.Ф.Катанова, старший преподаватель кафедры "Программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем"
2Хакасский государственный университет им. Н.Ф.Катанова, старший преподаватель кафедры "Теоретической физики и информационных технологий в обучении"

Аннотация
Данная статья посвящена обзору машинного зрения – монокулярного, бинокулярного и тринокулярного. Авторы рассматривают проблему оценки восприятия глубины разными видами машинного зрения. Проведенное исследование позволяет утверждать, что наилучшую оценку глубины дает именно тринокулярное зрение с учетом области наилучшего видения

Ключевые слова: бинокулярное зрение, глазной базис, глубина, монокулярное зрение, область наилучшего видения, параллакс, Робототехника, тринокуляное зрение


ASSESSMENT OF PERCEPTION OF DEPTH DIFFERENT TYPES OF COMPUTER VISION

Shelomentseva Inga Georgievna1, Yakasova Natalia Viktorovna2
1Khakas State University, Senior teacher of department of "Software of computer facilities and the automated systems"
2Khakas State University, Senior teacher of department of "Theoretical physics and information technologies in training"

Abstract
This article is devoted to the review of computer vision – monocular, binocular and trinokulyarny. Authors consider a problem of an assessment of perception of depth different types of computer vision. The conducted research allows to claim that the best assessment of depth is given by trinokulyarny sight taking into account area of the best vision.

Keywords: area of the best vision, binocular sight, depth, eye basis, monocular sight, parallax, robotics, trinokulyany sight


Библиографическая ссылка на статью:
Шеломенцева И.Г., Якасова Н.В. Оценка восприятия глубины разными видами машинного зрения // Современная техника и технологии. 2015. № 11 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/11/8287 (дата обращения: 04.10.2017).

Робототехника, как отрасль научного знания и как основа промышленного производства, является инновационным направлением развития современного общества. Среди базовых аспектов применения роботов немаловажным считается их использование в труднодоступных местах, и местах, нахождение в которых небезопасно для человека. Примером могут служить роботы, перед которыми ставится задача по поиску и уничтожению взрывчатых веществ. В такой ситуации критичным является восприятие глубины для точной оценки расстояния до подозрительного объекта.
Рассмотрим основные виды зрения – монокулярное, бинокулярное и тринокулярное – с точки зрения восприятия глубины. 
Монокулярное зрение опирается на единый источник информации об объекте. Если система, находящаяся в точке S, будет наблюдать объект F (рис. 1), то в таком случае оценить глубину и расстояние d до объекта, практически невозможно. Для этой цели можно использовать явление параллакса – явления, при котором при изменении положения наблюдателя S’ (рис. 1) меняется видимое положение объекта относительно фона. В таком случае расстояние d можно вычислить по формуле 1, где α – это угол изменения видимого положения объекта, а L – это расстояние, на которое смещается наблюдатель. Исторически сложилось так, что угол чаще всего измеряется не в радианах, а в угловых секундах.

 (1)

Для малых значений угла a используется упрощенная формула 2.

 (2)
Рисунок 1. Оценка глубины при монокулярном зрении

Бинокулярное зрение ориентировано на наблюдение объектов двумя глазами. Наличие второго приемника информации позволяет более точно определить глубину, пространственное расположение и объемную форму наблюдаемых объектов. На рисунке 2 точки S1 и S2 обозначают приемники информации, а точки F1 и F2 – наблюдаемые объекты.
Для точного определения параметров объекта глаза располагают в одной плоскости, и зрение фокусируется так, чтобы зрительные оси пересекались в точке наблюдения (рис. 2). При этом получающийся угол (а1) называется углом конвергенции, а расстояние между глазами (b) – глазным базисом. Перефокусировка глаз при наблюдении второго объекта (F2) называется явлением аккомодации.

Рисунок 2. Оценка глубины при бинокулярном зрении

Также, при бинокулярном зрении появляется понятие его остроты или разрешающей способности, под которым понимают наименьшую разницу между углами конвергенции при явлении аккомодации, когда система способна вычислить или воспринять ΔD.
Определим параметры восприятия глубины при бинокулярном зрении. В общем случае можно воспользоваться формулой 2.

,
,

Будем использовать формулу 3 для определения параметров оценки глубины при бинокулярном зрении и монокулярном зрении с учетом смещения. Рассмотрим сначала базовые параметры оценки глубины человеческого зрения. Стандартным глазным базисом человека является величина в 65 мм, а острота зрения – 20’’. 
При D = 25 см (расстояние, на котором происходит чтение текста) ΔD будет равняться 0,1 мм.

При D = 100 м ΔD будет равняться 0,1 м [1]. 

Теперь оценим параметры тринокулярного зрения (рис. 3). На рисунке 3 точки S1, S2 и S3 обозначают приемники информации, х – расстояние от S3 до плоскости, а точки F1 и F2 – наблюдаемые объекты.

,

Возьмем х=1 м, остальные параметры оставим неизменными. Тогда ΔD будет равняться 0,97 м.

Другими словами, восприятие глубины при наличии третьего источника информации, находящегося над плоскостью на расстоянии 1 м значительно повысится.


Рисунок 3. Оценка глубины при тринокулярном зрении

Теоретические расчеты не учитывают специфику матриц системы зрения, точнее их разрешающую способность и угол обзора. Рассмотрим проекцию изображения на плоскую матрицу, состоящую из n дискретных элементов зрения шириной a и углом обзора β. Некоторый объект шириной A, расположенный в параллельной относительно матрицы плоскости, проецируется на элемент матрицы с расстояния D целиком (рис. 4).

Рисунок 4. Предельное расстояние распознавания объекта.

С уменьшением D проецируемый объект будет проецироваться не только на исходный элемент матрицы, но и на соседние элементы, т.е. его можно будет рассмотреть более точно. При увеличении D тот же объект будет проецироваться только на часть элемента матрицы, совместно с объектами, прилегающими к нему в проекции. Так можно определить предельное расстояние, которое зависит от разрешения матрицы и ее угла обзора, на котором объект еще различим матрицей:

 (5)

Для бинарной системы смещение объекта на a в проекции объекта одного окуляра по отношении проекции другого окуляра гарантирует распознавание глубины объекта шириной A с расстояния D (рис. 5). Если смещение происходит на меньшую величину, то определение глубины становится затруднительным.


Рисунок 5. Определение глубины объекта.

Учитывая разрешение матриц зрения и базис b системы получим зависимость расстояния, на котором возможно определить глубину объекта, если он сместился на k элементов матрицы (начальное положение от начала матрицы m):

 (6)

В тринокулярной системе качество восприятия глубины очевидным образом зависит от взаимного размещения окуляров: на одной горизонтальной оси (с равными или неравными промежутками), в углах равностороннего, равнобедренного, прямоугольного или произвольного треугольника. Очевидно, что несимметричные конструкции дают преимущество одному полю зрения (справа или слева), что нецелесообразно. Размещение трех окуляров на горизонтальной прямой не решает проблем с оценкой расстояний до протяженных объектов параллельных горизонту. Наилучшей способностью к оценке глубины и разрешению проблем бинокулярного зрения будет иметь система в форме равнобедренного треугольника. В такой конфигурации оба поля зрения не имеют преимущества друг перед другом. 
Очевидно, что перемещение третьего окуляра вдоль высоты треугольника увеличивает (при движении вверх) способность системы к оценке большей глубины или снижает (при движении вниз), рис. 6.
С другой стороны область наилучшего видения находится в обратной зависимости от увеличения способности оценки глубины. Учитывая краевые эффекты проекций получим, что области наилучшего видения будет смещаться вверх, сжимаясь и вниз растягиваясь.

Рисунок 6. Область наилучшего видения.

Дополнительно при оценке глубины возникает еще одна проблема – проблема переднего плана. Объекты переднего плана не могут распознаваться n-окулярными (n>1) системами по полученным с матриц окуляров изображений, т. к. изображения объектов переднего плана достаточно сильно разнятся. На одном из окуляров изображение вообще может отсутствовать. Поэтому фактически невозможно вычислить расстояние до таких объектов. Такая же проблема возникает с объектами, находящимися на краях поля зрения системы. Решить эту проблему убедительно можно только при помощи параллакса одного из окуляров.


Библиографический список
  1. Курс лекций по фотограмметрии МИИГАиК // Проект Вики — Фотограмметрия. URL: http://www.racurs.ru/wiki/index.php/Курс_лекций_по_фотограмметрии_МИИГАиК (дата обращения: 01.11.2015).


Все статьи автора «Шеломенцева Инга Георгиевна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: