Implementação de um Sistema de Visão Estéreo e Triangulação como Técnica para Determinação de Distância.
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- Sabina Brunelli Castelhano
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1 Implementação de um Sistema de Visão Estéreo e Triangulação como Técnica para Determinação de Distância. Renato Quarentei Gardiman, Ivando Severino Diniz, Robinson Franklin Bruginski. Unesp Universidade Estadual Paulista Campus Sorocaba {renatorqg@gmail.com, ivando@sorocaba.unesp.br, bruginski@gmail.com } Abstract This paper presents a low cost prototype with two cameras, a card capture installed in a personal computer for acquisition of images from the two cams and a control card for servomotors. This system has a software with image recognition algorithm and sends the control signals via serial port. It also gets depth from triangulation of the two cams and the target. Resumo Este artigo apresenta um protótipo de baixo custo equipado com duas câmeras, uma placa de captura de vídeo para aquisição da imagem para processamento em um computador pessoal e uma placa de controle para servomotores. O software reconhece objetos e determina sua distância por triangulação. 1. Introdução A visão é o sentido que nós humanos mais usamos, por meio dela recebemos uma quantidade enorme de informação a respeito do ambiente que nos possibilita uma interação rica e inteligente dentro de um espaço dinâmico [1]. Portanto, um grande esforço é realizado para prover às máquinas a habilidade da visão humana. Pode-se definir visão computacional como sendo um conjunto de algoritmos através dos quais sistemas baseados em computadores podem extrair informações dos pixels que compõem a imagem [2]. Trabalhos envolvendo veículos autônomos promovidos pelo DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) no evento chamado Gran Challenge cujo objetivo é fomentar o desenvolvimento de veículos capazes de respeitar as regras de trânsito interagindo com outros carros além de realizarem tarefas específicas como estacionar em uma vaga. Tais projetos fazem uso de diversos sensores inclusive sistemas de visão estereoscópicos. Este artigo apresenta um protótipo de baixo custo que possui duas câmeras, uma placa de captura instalada em um computador pessoal para aquisição das imagens e uma placa de controle de servomotores, que são integrados com um software de reconhecimento de imagens que também envia comandos para placa de controle dos servos via porta serial. 2. Idealização do Sistema A princípio objetivou-se a construção de um protótipo com materiais módicos. Desenvolveu-se uma estrutura mecânica cujo objetivo é abrigar os servos e as câmeras e ainda possuir uma parte móvel para realizar os movimentos. Com relação à parte elétrica e eletrônica de controle para facilitar os testes e baratear o projeto foi escolhida uma arquitetura de controle não embarcada, facilitando principalmente a visualização das imagens capturadas, o que não seria possível com um processador embarcado para tratar as imagens Arquitetura do sistema. O sistema é formado por basicamente três módulos: o computador pessoal, o módulo de controle dos servos e a parte mecânica com os atuadores e sensores. Esses componentes são integrados por conexões ilustradas na Figura 1. Figura 1 - Diagrama de bloco do sistema [3]. 3. Software e hardware no PC A linguagem de programação utilizada foi C, com o compilador Lcc-win32, que é livre para usos não comerciais [4]. Utilizando API. (Aplication Programing Interface) do Windows. Através das funções do API do Windows e também das funções contidas no arquivo de cabeçalho vfw.h (Video for Windows) e um driver do dispositivo compatível com o Windows Driver Model WDM, a
2 alocação de um ponteiro que varre uma matriz RGB é realizada. O software é visual e apresenta-se em uma grande janela contendo a imagem de uma câmera, alguns botões e algumas caixas de texto usadas para depurar o programa durante o desenvolvimento, os quais podem ser vistos na Figura 2. Figura 3 Mensurando erro a partir do centro de massa do alvo [3]. Figura 2 - Janela principal do programa Visão Estéreo [3]. Na janela principal tem-se 6 (seis) botões do tipo pushbutton e suas funções serão descritas a seguir: V1 Mostra a visão da câmera DIREITA V2 Mostra a visão da câmera ESQUERDA DEBUGGER Usado durante a depuração do programa, sem função específica SERIAL Inicializa a porta serial FR Volta os servos para posição inicial CORE Liga a funcionalidade Estérea 3.1. Sistema de visão. Para determinar o centro do objeto procurado, utilizouse um conjunto de funções reunidas em uma biblioteca chamada libcoreblob, essas funções buscam a imagem por um pixel que esteja dentro de um intervalo previamente estabelecido e fazem a expansão da área para encontrar o objeto inteiro, determinando a sua massa e o seu centro. Com a informação da posição do pixel do centro do objeto, extrai-se um erro (em pixels) com relação ao centro da imagem e a esse erro é associado um ganho proporcional e integral para determinar a saída que será enviada para o servo. Dessa forma programou-se um controlador PI (Proporcional e Integrador) para manter o alvo no centro da imagem e com a triangulação, extrair a informação de distância. A Figura 3 ilustra o método como são mensurados os erros na horizontal e na vertical respectivamente erro x e erro y. Assim, para cada um existe uma malha de controle PI para atribuir seus sinais de controle para a posição dos servomotores. Na vertical os erros são somados e tira-se a média, pois as duas câmeras estão dentro da mesma caixa e sujeitas ao mesmo movimento. A seguir tem-se a forma geral do controlador discreto proporcional e integral [5] utilizada no programa. u k = α k g k + β k g i (1) Partindo da idéia de que as câmeras com controlador PI estão sempre apontadas para o centro do alvo, utilizouse o conceito de triangulação para determinar a distância do objeto em questão Determinação da distância por triangulação. Muito utilizada em topografia, baseia-se na Lei dos Senos, que permite inferir os lados do triângulo, quando se tem o valor de um dos lados, e o valor de dois ângulos do triângulo, a Figura 4 ilustra um triângulo genérico. Figura 4 Triângulo genérico [3]. Analogamente, este triângulo pode servir de modelo para um objeto que se encontre no ponto A e as duas câmeras nos pontos B e C, assim a distância representada por L é a distância do alvo até a linha de base das câmeras e pode ser determinada aplicando-se a Lei dos Senos ao sistema. O ângulo do ponto C e B podem ser
3 inferidos a partir da variável de posição do servo. Duas equações são usadas para determinar a distância L (2) (3) Onde no caso do sistema, L seria a distância do objeto e c seria a distância entre o ponto B e A que analogamente representa a distância do alvo à própria câmera direita Especificações do PC. O sistema computacional adotado foi uma plataforma PC Sempron com 768 MB de memória RAM, uma placa de vídeo off-board AGP GeForce4 440 MX com 64 MB de memória dedicada e com sistema operacional Windows XP Professional SP Placa de captura e driver. Seguindo o objetivo de baixo custo, optou-se pela placa modelo Pico2000 para fazer a captura da imagem, a qual pode ser vista na Figura 5. Esta placa possui 4 (quatro) entradas de sinal NTSC/PAL e é inserida no sistema computacional pelo slot de expansão PCI. Na seqüência, encontrou-se dificuldade de selecionar a entrada de vídeo da placa de captura, pois o driver genérico não dava suporte específico a uma placa de 4 (quatro) entradas. Para solucionar esse problema utilizouse de uma ferramenta que lê e altera um valor de memória dentro da região de endereçamento do barramento PCI. Utilizando um software chamado RW-Everything [7] foi possível identificar qual posição de memória era responsável pela seleção da entrada de vídeo. De posse dessa informação foi necessário acrescentar uma biblioteca chamada Tvicport que pertence a um kit de desenvolvimento para acesso direto a portas de I/O em aplicativos Win32, da empresa EnTech Taiwan. Esse kit, que também é gratuito para fins não comerciais, inclui um suporte transparente fornecendo aos programadores métodos padrão para acesso em tempo real a portas e memórias mapeadas ou como foi o caso aqui, acesso a região da memória restrita - sem requerer que se escreva um dispositivo virtual personalizado ou um driver no modo kernel 1. A comunicação serial é realizada por um conjunto de basicamente 3 (três) funções: inicializa, envia e a finaliza. Além das funções, existem também os parâmetros da porta serial que devem ser configurados para que funcione corretamente, dentre eles destacam-se a taxa de transferência (BaudRate), a paridade (Parity), bit de parada (StopBit) e o tamanho em bits do caractere (ByteSize). 4. Módulo de controle dos servomotores O controle dos servos é realizado ao enviar pela porta serial um conjunto de caracteres que define qual o servo e a posição final do movimento. O Sinal de controle dos servomotores é gerado por uma placa da marca Linxmotion modelo SSC-32 Servo Controller, a qual se pode ver na Figura 6. Figura 5 - Placa de captura Pico2000 [3] A placa de vídeo Pico2000 foi desenvolvida especificamente para gerenciamento de câmeras de circuito fechado de televisão comumente utilizado em segurança. Assim sendo o driver de dispositivo que vem com o fabricante não tem suporte ao WDM. Por isso foi necessário utilizar um driver genérico de código aberto [6], desenvolvido para o controlador CONEXANT FUSION BT878A que é empregado na placa Pico2000. Figura 6 Placa SSC-32 Servo Controller [3]. 1 Kernel Núcleo do Sistema Operacional
4 Dentre os principais atributos da placa, destacam-se: Baseada no microcontrolador da Atmel ATMEGA168-20PU trabalhando a 14,75MHz; Interface de porta serial RS-232; Pode controlar até 32 servos; Tem 4 (quatro) entradas analógicas ou digitais; Range do servo 180º; Resolução de 1µs; Distribuição da alimentação dos servomotores. 5. Estrutura mecânica do protótipo Com o fito de usar materiais econômicos escolheu-se a madeira como material estrutural. Um modelo foi elaborado no software SolidEdge V16 e pode ser visto na Figura 7, para documentar o protótipo, suas partes e suas medidas, além de servir como referência para o trabalho do marceneiro. A Figura 8 mostra a estrutura mecânica feita de madeira Figura 8 Vista geral da parte mecânica com as câmeras e os servomotores montados [3]. 6. Resultados A metodologia usada para verificar o desempenho do protótipo para aferir distâncias baseou-se em colocar os 3 (três) alvos diferentes, apresentados na Figura 9, em posições pré-determinadas com auxílio de uma trena como pode ser visto na Figura 10. Figura 7 Vista isométrica do modelo no software SolidEdge [3]. Estruturalmente o protótipo é formado por duas peças, sendo uma delas a caixa onde se abrigam as câmeras e a outra o suporte para essa caixa com os rolamentos para dar liberdade ao movimento Na parte dos atuadores foram usados servomotores da marca MotorTech, que são fabricados para posicionamento de antenas parabólicas. Já no caso dos sensores da visão foram empregadas câmeras do modelo 208C com sensor CMOS colorido com sinal de saída NTSC. A seguir a Figura 8 traz a imagem do protótipo montado. Figura 9 Protótipo e os três alvos usados nos testes [3].
5 a até 30 centímetros, apesar de outros alvos apresentarem resultados ligeiramente diferentes. Ademais, o projeto foi construído a um baixo custo econômico, pois chegou ao final com um custo de 400 (quatrocentos) reais, tendo assim um grande potencial para se transformar em um Kit de Desenvolvimento de Ensino e Pesquisas em Visão Computacional. 8. Agradecimentos Figura 10 Exemplo de posicionamento do Alvo 1 [3]. Foi programado um botão para armazenar em uma variável de várias posições as leituras realizadas pelo próprio software e disponibilizá-las em duas caixas de texto respectivamente relacionadas à distância e a massa 2. Dessa caixa de texto as leituras foram transferidas para o programa Excel da Microsoft. Assim, para cada variação de posição testada, uma série de leituras fora coletada e transportada para o Excel, cada série foi extraída uma média e finalmente transcritas para o gráfico, que pode ser visto a seguir. Os autores externam seus agradecimentos a UNESP Universidade Estadual Paulista, Campus Sorocaba principalmente aos docentes que fizeram parte da Banca Examinadora, Prof. Dr. Alexandre da Silva Simões e especialmente o Prof. Dr. Antonio Cesar Germano Martins. 9. Referências [1] SIEGWART, R. e NOURBAKHSH, I., Introduction to Autonomous Mobile Robots. MIT Press. Cambridge, Capítulo 4 [2] BERTHOLD, H. Robot Vision, MIT Press. Cambridge, [3] GARDIMAN, R. Q. Visão Estéreo: Implementação de um Protótipo. 50f. Trabalho de Graduação (Bacharel em Engenharia de Controle e Automação), UNESP Universidade Estadual Paulista Campus Sorocaba, [4] NAVIA, J. Lcc-Win32: A compiler sistem for Windows, disponível em < Acesso em 20 de janeiro de [5] DIENE, O., BHAYA, A., - Métodos iterativos lineares projetados através da teoria de controle e suas aplicações, Sba Controle & Automação vol.17 no.3 Campinas July/Sept Figura 11 Gráfico das distâncias médias aferidas pelo protótipo versus a distância real para o Alvo 1 [3]. 7. Conclusões Ao final observou-se que o protótipo idealizado é funcional e satisfatório como plataforma de estudo para visão estéreo, possibilitando a aplicação de outras técnicas de visão computacional como trabalhos futuros. Os resultados obtidos com os testes mostram que em certas condições o protótipo apresenta um desempenho satisfatório, como foi o caso do Alvo 1 em distâncias de 6 [6] TAGLE, E. J. WDM bt848/bt878 video adquisition driver. Disponível < Acesso em 25 de janeiro de [7] CHAN, J. RW Read Write Utility v0.30. Disponível em < > Acesso em 29 de janeiro de [8] ANTHONY, R., CHARLES, R., ILLAH NOURBAKHSH A Low Cost Embedded Color Vision System. In: Proceedings of IIROS Nesse caso a massa é a área do alvo identificado pelo software
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