ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

1. Введення в 3D-реконструкцію об'єктів

3D-реконструкція являє собою метод, за допомогою якого 3D об'єкт створюється заново в віртуальному, тривимірному просторі за допомогою комп'ютера. Це може бути зроблено в ряді різному, але зазвичай включає в себе використання вихідних даних, таких як двовимірних (2D) фотографій або сканування реального об'єкта. Після 3D-реконструкції буде створено 3D об'єкт, і їм можна маніпулювати або використовуватися в ряді різних способів, у тому числі для медичних цілей і при створенні 3D-графіки для кіно чи телебачення. 3D-реконструкція зазвичай включає в себе обробку цифрових професійних зображень і 3D комп'ютерне моделювання. Існують два основні підходи до реконструкції об'єктів, які можуть бути використані, залежить від вихідних даних для реконструкції і засновані на механізмі зворотного зв'язку. Активна реконструкція включає в себе деякі форми залежності між об'єктом реконструкції та датчиками, наприклад, такими як сканування об'єкту або фотографування його. Пасивна 3D-реконструкції, використовує датчики, які отримують дані без втручання в об'єкт взагалі, наприклад, як прилади, які використовуються для реєстрації світла від далеких зірок. Ці вихідні дані потім можуть бути використані для створення 3D-моделі вихідного об'єкта або об'єктів. Скануванні тіла людини, наприклад, можуть бути використані для створення 3D-моделі, що людина в комп'ютерній системі. Пасивне сканування з далеких зірок могла б бути використана для створення 3D-моделі далеко галактики або створювати анімовані послідовності показує рух різних зірок у віртуальному просторі. У медицині 3D реконструкція використовується також досить широко, особливо при використанні магнітно-резонансної томографії (МРТ). Це дозволяє медичним працівникам, побачити 3D модель мозку без проведення операції. 2D-фотографії можуть бути використані для створення 3D-моделі людини, щоб більш точно зобразити те, як він виглядає. У 3D комп'ютерної графіки використовується для кіно і телебачення також використовуеться такий тип 3D реконструкції який дозволяє створювати більш реалістичні зображення. Сканування актора, наприклад, використовується для створення високо реалістичні 3D-моделі актора. Ця модель потім використовується для створення цифрового каскадера, який може виконувати трюки, які не могли б можливі для людини, щоб зробити. Реконструкція часто використовуються для створення реалістичних 3D-моделей середовищ і об'єктів, таких як автомобілі, для створення образів для реклами, які є більш досконалими, ніж реальність.

2. Лазерне сканування

Першим пристроєм такого типу були будь-які різновиди радарів і сонарів, починаючи від пристроїв системи ППО і закінчуючи парктроником на автомобілі. Якщо відома швидкість розповсюдження зондуючого імпульсу в середовищі, то множення швидкості на половину часу між моментами випромінюванням і прийому імпульсу дасть відстань від випромінювача до об'єкта, який відбив сигнал. Орієнтуючи по-різному систему випромінювач-приймач в просторі, можна проміряти набір відстаней до відображають об'єктів в даному напрямку. Виробництво компактних твердотільних лазерів дозволило створити системи вимірювання, які в якості зондуючого імпульсу використовували світло. Той чи інший механічний спосіб орієнтування світлового променя дозволив таким системам проводити послідовні вимірювання в просторовому секторі (або сканувати його, відповідно пристрої вимірювання стали називатися лазерними сканерами). Будь сканер видає набір тривимірних координат точок відображення лазерного променя щодо точки випромінювання. Подання до такої локальної системі координат є цілком достатнім для вимірювань локальних розмірів аж до будівлі (стаціонарний сканер). Якщо ж забезпечити такий сканер досить точним GPS приймачем і системою вимірів його кутовий орієнтації за трьома напрямками, то його можна встановлювати на літак як аерозйомочних сканер або на на автомобіль як мобільний сканер. Робочою довжиною хвилі сканерів є ближній інфрачервоний світло з довжиною хвилі близько 1 мкм для авіаційних сканерів (менше розсіювання в парах атмосфери) і більше 1 мкм для стаціонарних сканерів (більш безпечно для зору). Результатом роботи лазерних сканерів є хмара тривимірних точок (point cloud). Переваги лазерного сканування: - Прямий метод вимірювання тривимірних координат, на відміну від стереомтеріі. - Можливість вимірювати крізь оптично прозорі покриви. Зокрема, повітряне лазерне сканування дозволяє отримувати координати рельєфу під покровом рослинності. - Висока продуктивність, що особливо важливо для мобільних систем. Але є і недоліки, можна виділити три основні: - Тривалість процесу механічного сканування призначеного просторового сектора (повного простору для стаціонарного сканера, смуги або кола для мобільного). До того ж додаткові системи розгортки можуть вносити спотворення в шлях поширення променя, що вимагає окремої обробки. - Відсутність яркостной інформації. Сучасні сканери дозволяють вимірювати інтенсивність відбитого світла, що тільки в деякій мірі здатне замінити яркостное зображення, але повністю не вирішують проблеми інтерпретації точок відображення. - Поєднання лазерного сканера з паралельним цифровим фотографуванням дозволяє отримати яркостную характеристику сцени тільки непрямим методом шляхом проектування фотографії на відповідні ділянки хмари точок. Особливо трудомісткий це процес для - Великі габарити і енергоспоживання, хоча останнім часом виробники працюють над цим питанням. Цілком очевидним підходом до дистанційного тривимірному виміру є використання оптичної фокусуючої системи та цифрової матриці. Якщо відомі параметри оптичної системи, то завдання відновлення просторового положення будь-якого прийшов на матрицю променя є тривіальною. Справа залишається за тим, щоб створити спалах світла на корпусі вимірює апарату і якимось чином виміряти затримку в приході відбитого від об'єкта світла на кожен піксель цифрової матриці.

3. Відновлення тривимірних об'єктів за допомогою технології Kinect

Випущений на ринок у листопаді 2010 року ігровий контроллер Kinect є першим недорогим побутовим пристроєм для прямого дистанційного тривимірного виміру об'єктів і сцен. Основним нововеденням в Kinect було використання дальнометріческой камери Zcam. Конструкція камери дозволяє віднести її до так званих «часопролітної», що, по суті, означає паралельну реалізацію зазначених вище принципів. Основними вузлами камери є випромінювач, оптична система, спеціальна цифрова матриця та електронна вимірювальна та обчислювальна система. Необхідно відзначити, що характерні розміри області вимірювань (декілька метрів) і необхідна точність (кілька сантиметрів) висувають дуже жорсткі вимоги до тимчасової точності роботи всіх вимірювальних пристроїв. Наприклад, для виявлення об'єкта, що знаходиться на відстані декількох метрів від камери, характерний час запізнювання відображення складає всього 10 нс (при швидкості світла c = 3108 м / с). Відповідно, можна порахувати, що заявлена ??точність визначення відстані вимагає визначати момент приходу відгуку з точністю на два порядки більше. Характерні робочі частоти електронної схеми лежать в області гігагерц. Загальні принципи роботи камери. Випромінювач створює дуже коротку равнонаправленную світлову спалах (по тривалості еквівалентну відстані в кілька метрів, що визначає максимально дальність камери, наприклад 7.5 метрів при тривалості спалаху t0 = 50 нс). Робоча довжина хвилі становить, швидше за все, 1.5 мкм. Відбитий від сцени світло повертається назад і фокусується оптичною системою так, що б падати на цифрову матрицю. Ця матриця має спеціальний тип і складається з фотодіодів. При попаданні світла на фотодіод, він починає виробляти струм, який через ключ передається на накопичувальні елементи (конденсатори). У найпростішому випадку можна використовувати два конденсатори Спочатку заряджається перший конденсатор S1, через 50 нс після початку світлового спалаху ключ перемикається на зарядку другий конденсатор S2. Ще через 50 нс ключ переходить в нейтральне положення. Через невеликий проміжок весь процес повторюється знову. Так як частота проходження спалахів досить велика і всю сцену можна вважати нерухомою, то заряди конденсаторів S1 та S2 накопичуються від спалаху до спалаху, тим самим підвищуючи рівень сигнал / шум і збільшуючи надійність розрахунку. Для накопичення використовуються кілька тисяч циклів. В результаті, співвідношення між зарядами S1 та S2 дозволяє визначити положення фронту відбитого імпульсу щодо спалаху. Остаточно розрахувати відстань D вздовж променя, який прийшов до даного пікселю, можна за формулою D = c t0 S2 / 2 (S1 + S2) Згідно заявленим технічним характеристикам, контролер Kinetic підтримує робочий діапазон дальностей від 1 до 6 метрів і має поле зору приблизно 50 кутових градусів в обох напрямках. Дозвіл дальномірною матриці невелика і складає, швидше за все, 320 х 240 пікселів. Одночасно зі збором дальностной інформацією, звичайна цифрова матриця виконує відеозйомку сцени. Недоліком такої схеми є паразитна засвітка, яка може перевищувати яскравість спалаху і множинні відображення світла, що дає фальшиві точки відображень. Таким чином резульат роботи Kinect є також хмара точок. Подальшому дослідженню яких і буде присвячена магістерська робота.

Висновки

Основною метою даної роботи є проведення аналізу та дослідження методів відновлення форм тривимірних об'єктів по тривимірному хмарі точок. За результатами проведеного аналізу планується розробити ефективний метод відновлення форм тривимірних об'єктів по тривимірному хмарі точок використовуючи карту глибини. Для досягнення поставленої мети плануєте вирішити поставлені завдання - Дослідити сучасні методи відновлення тривимірних об'єктів (проекції, перетини, карти глибини) - Дослідити методи аналізу тривимірних хмар точок - Дослідити сучасні методи реконструкції об'єктів і розпізнання жестів за допомогою Microsoft Kinect - Розробити метод відновлення тривимірних об'єктів використовуючи карти глибини - Протестувати метод і оцінити його ефективність

Подальші дослідження направлені на наступні аспекти:

  1. Якісне вдосконалення запропонованого підходу до уніфікації синтезу автоматів Мура, його доповнення та розширення.
  2. Визначення границь ефективності різних варіантів основних етапів уніфікованого процесу синтезу автоматів Мура.
  3. Адаптація відомих методів побудови логічних схем автоматів Мура до базису FPGA.
  4. Розробка кросплатформової і функціональної системи автоматизованого проектування автоматів Мура (САПРАМ), що реалізує запропонований уніфікований процес синтезу.

При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: грудень 2011 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Moore E.F. Gedanken-experiments on sequential machines / E.F. Moore // Automata studies, Annals of mathematical studies. – 1956. – vol. 34. – pp. 129-153.
  2. Гилл А. Введение в теорию конечных автоматов / А. Гилл. – М.: Наука, 1966. – 272 с.
  3. Миллер Р. Теория переключательных схем / Р. Миллер. – М.: Наука, 1971. – Том 2: Последовательностные схемы и машины. – 304 с.
  4. Минский М. Вычисления и автоматы / М. Минский. – М.: Мир, 1971. – 364 с.
  5. Хопкрофт Д. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений / Д. Хопкрофт, Р. Мотвани, Д. Ульман. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2002. – 528 с.
  6. Ito M. Algebraic theory of automata and languages / M. Ito. – World Scientific Publishing, 2004. – 199 pp.
  7. Голдсуорт Б. Проектирование цифровых логических устройств / Б. Голдсуорт. – М.: Машиностроение, 1985. – 288 с.
  8. Уилкинсон Б. Основы проектирования цифровых схем / Б. Уилкинсон. – М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. – 320 с.
  9. Уэйкерли Д. Проектирование цифровых устройств / Д. Уэйкерли. – М.: Постмаркет, 2002. – Том 2. – 528 с.
  10. Breeding K. Digital design fundamentals / K. Breeding. – Prentice Hall, 1992. – 446 pp.
  11. Holdsworth B. Digital logic design / B. Holdsworth, C. Woods. – Prentice Hall, 2002. – 519 pp.
  12. Lala P. Principles of modern digital design / P. Lala. – Wiley, 2007. – 419 pp.
  13. Mano M. Digital design / M. Mano. – Prentice Hall, 2003. – 516 pp.
  14. Nelson V. Digital logic circuit analysis and design / V. Nelson, H. Nagle, J. Irwin, B. Carroll. – Prentice Hall, 1995. – 842 pp.
  15. Shiva S. Introduction to logic design / S. Shiva. – CRC Press, 1998. – 628 pp.