Multi-camera systems for navigation of robotic systems and surveillance
Authors: Χρυσοστόμου Δημήτριος 
Published: January 2014

Κατά τη διάρκεια της τελευταίας δεκαετίας, τα συστήματα όρασης έχουν εδραιωθεί ως πρότυπα συστήματα και ένα από τα πιο αποτελεσματικά συστήματα αισθητήρων τόσο σε βιομηχανικές όσο και καθημερινές εφαρμογές, πολλαπλών καμερών. Επιπλέον, είναι ξεκάθαρο ότι ένα από τα πιο σημαντικά προβλήματα είναι η διεπαφή ανθρώπου-ρομπότ μέσα στο χώρο εργασίας του ίδιου του ρομποτικού συστήματος. Τα ρομπότ που εργάζονται σε ένα περιβάλλον εσωτερικού χώρου πρέπει να είναι σε θέση να πλοηγούνται ομαλά σε περιορισμένο χώρο και να είναι ικανά να αποφεύγουν εμπόδια και ανθρώπους σε στατικά και δυναμικά περιβάλλοντα. Για την επίτευξη αυτού του στόχου, το σύστημα όρασης θα πρέπει να παρέχει την έγκυρη και αποτελεσματική τρισδιάστατη χαρτογράφηση του εργασιακού περιβάλλοντος. Τα δύο αυτά γενικευμένα πεδία, δηλαδή τα συστήματα πολλαπλών καμερών και η χαρτογράφηση του εργασιακού περιβάλλοντος, αποτελούν την ραχοκοκαλιά αυτής της διδακτορικής διατριβής. Κίνητρο για αυτή τη διδακτορική διατριβή στάθηκε η παρατήρηση ότι το πλήθος των αλγορίθμων που έχουν ήδη αναπτυχθεί από την επιστημονική κοινότητα στον τομέα της υπολογιστικής όρασης, βρίσκει εμπόδια κατά την εφαρμογή τους σε συστήματα με περισσότερες από δύο κάμερες. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής αποτέλεσε η εισαγωγή και εφαρμογή αυτών των αλγορίθμων υπολογιστικής όρασης σε δίκτυα πολλαπλών καμερών για χρήση τους σε εφαρμογές όπως η επιτήρηση του περιβάλλοντος εργασίας ρομποτικών συστημάτων καθώς και πλοήγηση αυτών των συστημάτων με την βοήθεια τρισδιάστατης οπτικής πληροφορίας. Σχεδιάστηκαν, εκτιμήθηκαν και υλοποιήθηκαν επιτυχώς καινοτόμοι αλγόριθμοι υπολογιστικής όρασης για συστήματα πολλαπλών καμερών με ελάχιστο αριθμό τεσσάρων καμερών έως και σαράντα. Οι αλγόριθμοι αυτοί δοκιμάστηκαν επιτυχώς σε συστήματα πολλαπλών καμερών με στόχο την μέγιστη κάλυψη χώρου τόσο σε στατικά όσο και δυναμικά περιβάλλοντα και την τρισδιάστατη ανακατασκευή καθημερινών αντικειμένων που βρίσκονται σε συνηθισμένα περιβάλλοντα εργασίας. Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε τρία κύρια κεφάλαια. Το πρώτο αναφέρεται στις βασικές αρχές γεωμετρίας που διέπουν τα συστήματα πολλαπλών καμερών. Στην πρώτη ενότητα του πρώτου κεφαλαίου, το κύριο ενδιαφέρον είναι στο πρόβλημα της στατικής τοπολογίας καμερών, όπου ο κεντρικός στόχος είναι η βέλτιστη τοποθέτηση του αριθμού των οπτικών αισθητήρων για την παρακολούθηση μίας περιοχής, λαμβάνοντας υπόψη μια σειρά περιορισμών. Μία νέα τροποποιημένη τεχνική εμπνευσμένη από τη φύση, η οποία αξιοποιεί τον αλγόριθμο του σχηματισμού αποικίας μελισσών, ο οποίος είναι σε θέση να καθορίσει τον ελάχιστο αριθμό απαιτούμενων καμερών που απαιτούνται για την ολοκληρωτική κάλυψη του χώρου καθορίζοντας ταυτόχρονα και το ελάχιστο κόστος που απαιτείται για αυτή τη κάλυψη. Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί πολλαπλούς περιορισμούς σχετικά με τη θέση της εκάστοτε κάμερας οι οποίοι ενδέχεται να είναι γεωμετρικοί, οπτικοί και κατασκευαστικοί. Στην επόμενη κύρια ενότητα, παρουσιάζεται ο εμπλουτισμός της προηγούμενης μεθόδου ως προς την κάλυψη νέων χώρων, οι οποίοι εμπεριέχουν δυναμικής φύσεως δεδομένα. Η κύρια συνεισφορά αυτής της μεθόδου είναι η ανάπτυξη μίας νέας τεχνικής βελτιστοποίησης για την μεγιστοποίηση της κάλυψης του δεδομένου χώρου χρησιμοποιώντας κάμερες με δυνατότητες αλλαγής της θέσης τους ώστε να είναι δυνατή η παρακολούθηση δυναμικού πλήθους. Στο τρίτο κεφάλαιο της διατριβής, η πρώτη μέθοδος αναφέρεται στο κλασικό πρόβλημα της πυκνής τρισδιάστατης ανακατασκευής του όγκουαντικειμένων, από μία βάση βαθμονομημένων εικόνων. Η καινοτομία του αλγορίθμου έγκειται στην υπολογιστική προσομοίωση των κανόνων συμπεριφοράς που εμφανίζουν οι αποικίες μυρμηγκιών, ως τεχνική βελτίωσης για την περαιτέρω εκλέπτυνση των τελικών τρισδιάστατων μοντέλων. Τέλος, η τελευταία ενότητα περιγράφει την καινοτομία η οποία έγκειται στην τρισδιάστατη ανακατασκευή πρισματικών αντικειμένων με βάση τις πληροφορίες που παρέχουν τα σημεία φυγής της σκηνής. Αυτή είναι και η πρώτη φορά που προτείνεται μία τέτοια προσέγγιση για τρισδιάστατη ανακατασκευή αντικειμένου. Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθόδου βασίζεται στο χαμηλό σφάλμα επαναπροβολής, στην δυνατότητά της να παρέχει συμπαγείς αναπαραστάσεις τωνανακατασκευασμένων αντικειμένων και στην χαμηλή υπολογιστική της επιβάρυνση.