SoSe24 - Praktikum Systementwurf - Spurpolynom

Abb. 1: GeradeInKurve_Spurpolynom.

Autoren:	Yuhan Pan, Xiangyao Liu, Yunkai Lin
Thema:	Spurpolynom
Workshoptermin 9:	20.06.2024
Lernzielkontrolle 3:	04.07.2024

Einleitung

In diesem Workshop lernen Sie, wie Bilddaten von Fahrzeugkameras verarbeitet werden, um Fahrspuren zu erkennen und zu analysieren. Der Fokus liegt auf der Transformation von Bildkoordinaten in Fahrzeugkoordinaten und der Erstellung von Polynomen zur Darstellung der Fahrspur. Zudem wird die Berücksichtigung des Blindbereichs und die Ermittlung der Mittellinie für die Querregelung behandelt.

Spurpolynom

In diesem Abschnitt werden die grundlegenden Konzepte und Techniken zur Ermittlung von Spurpolynomen erläutert. Dies umfasst die Theorie der Polynombildung, die Transformation von Bild- zu Fahrzeugkoordinaten, die Berücksichtigung des Blindbereichs sowie die Ermittlung des Spurpolynoms für die Querregelung.

Beschreibung die Theorie der Polynombildung

Die Polynombildung ist ein Verfahren zur Annäherung oder Interpolation von Datenpunkten durch ein Polynom. Ein Polynom n-ten Grades hat die Form: $P(x) = a_n x^n + a_{n-1} x^{n-1} + \cdots + a_1 x + a_0$ Die Koeffizienten werden so bestimmt, dass die Summe der quadrierten Abweichungen minimiert wird (Methode der kleinsten Quadrate). Im diese Workshop wurden Spurpolynom in Form: $y = a x^2 + b x + c$ zeigen. Man kann durch den Segmentierung der Spurpolynom von Video der Queranzahl x und y festlegen, und durch den Queranzahl y und x den Spurparameter a, b und c berechnen.

Beschreiben Sie die KOS-Trafo Bild- zu Fahrzeugkoordinaten

Die KOS-Transformation wandelt Bildkoordinaten (u, v) in Fahrzeugkoordinaten (X, Y, Z) um. Zuerst werden Bildkoordinaten in Kamerakoordinaten umgerechnet, dann werden diese in Fahrzeugkoordinaten transformiert unter Berücksichtigung der Kameraposition und -neigung.

Berücksichtigung des Blindbereichs

Der Blindbereich umfasst Bereiche, die von der Kamera nicht erfasst werden können. Um den Blindbereich zu berücksichtigen, werden nur sichtbare Bereiche des Bildes in die Fahrzeugkoordinaten transformiert und weiterverarbeitet, indem sie geometrisch berechnet und maskiert werden.

Wie wird das Spurpolynom für die Querregelung aus den Spurpolynomen der Fahrbahnmarkierungen ermittelt?

Das Spurpolynom für die Querregelung wird aus den Spurpolynomen der linken und rechten Fahrbahnmarkierungen berechnet. Die Mittellinie der Fahrspur wird als Mittelwert der Positionen der linken und rechten Fahrbahnmarkierungen bestimmt und anschließend durch ein Polynom approximiert, das geglättet wird, um eine stabile Querregelung zu ermöglichen.

PAP

Programmablaufplan 

Quelltext

Quelltext 1: zeigeSpurpolynom.m  

%****************************************************************
%                   Hochschule Hamm-Lippstadt                   *
%****************************************************************
% Modul	          : SDE-Praktikum                               *
%                                                               *
% Datum           : 20.06.2024                                  *
%                                                               *
% Funktion        : zeigeSpurpolynom                            *
%                                                               *
% Implementation  : MATLAB 2024a                                *
%                                                               *
% Req. Toolbox    : -                                           *
%                                                               *
% Author          : Yuhan Pan,Xiangyao Liu,Yuhnkai Lin          *
%                                                               *
% Bemerkung       :                                             *
%                                                               *
% Letzte Änderung : 03.07.2024                                  *
%                                                               *
%***************************************************************/
%% MATLAB initialisieren
clear all; close all

% cell-array mit Fahrbahnmarkierungen laden
load('GeradeInKurve_Segmente.mat') 
[~,nMaxBilder]=size(Fahrbahnmarkierung)

%% Video laden
stDateiname = 'GeradeInKurve_IPT.mp4';
hVideo = VideoReader(stDateiname);

for nBild=1:nMaxBilder % Schleife über alle Frames

    aFrame = readFrame(hVideo); % Bild laden
    
    %% Fahrspurmasken auslesen
    Fahrbahn=Fahrbahnmarkierung{nBild};
    aLinkeFahrspur  = Fahrbahn(:,:,1);
    aMittelFahrspur = Fahrbahn(:,:,2);
    aRechteFahrspur = Fahrbahn(:,:,3);

    %% Fahrspuren einf?rben
    % Farbkan?le trennen
    R = aFrame(:,:,1);
    G = aFrame(:,:,2);
    B = aFrame(:,:,3);
    
    % Grün
    R(aLinkeFahrspur)  = 0;
    B(aLinkeFahrspur)  = 0;

    % Rot
    G(aMittelFahrspur) = 0;
    B(aMittelFahrspur) = 0;

    % Gelb
    B(aRechteFahrspur) = 0;
    
    aRGBBild = cat(3, R, G, B); % Bild zusammenfassungen
    %% Spurpolynom zwischen roten und gelben Fahrspuren berechnen und darstellen
    [yMittel, xMittel] = find(aMittelFahrspur);
    [yRechts, xRechts] = find(aRechteFahrspur);
    
    if ~isempty(yMittel) && ~isempty(yRechts)
        % Mittlere y-Koordinate als gemeinsame Basis verwenden
        yGemeinsam = unique([yMittel; yRechts]);
        
        % Polynom zwischen mittleren und rechten Fahrspuren anpassen
        pMittel = polyfit(yMittel, xMittel, 2);
        pRechts = polyfit(yRechts, xRechts, 2);
        
        xMittelPoly = polyval(pMittel, yGemeinsam); 
        xRechtsPoly = polyval(pRechts, yGemeinsam);
        
        % Mittelwert der x-Koordinaten als Spurpolynom berechnen
        xSpurneu = (xMittelPoly + xRechtsPoly) / 2;  
    end
    
    %% Bild anzeigen
    imshow(aRGBBild)
    title(['Frame: ', num2str(nBild), ' / ', num2str(nMaxBilder)]);
    hold on; 
    
    if exist('xSpurneu','var')
        h3 = plot(xSpurneu,yGemeinsam, 'w-', 'Linewidth', 2);
    end
    %% Legend hinzufuegen
    h1 = plot(NaN, NaN, 'r-', 'LineWidth', 2); % Dummy plot for red legend
    h2 = plot(NaN, NaN, 'y-', 'LineWidth', 2); % Dummy plot for yellow legend

    legend([h1 h2 h3], {'Mittelspur', 'Rechtspur', 'Neuespur'});
    
    hold off;
    pause(0.01); % Kurze Pause, um das Bild anzuzeigen
end

Ergebnisse

Link zu den Video: https://svn.hshl.de/svn/MTR_SDE_Praktikum/trunk/_Semesterordner/Team_3_Liu_Pan_Lin\Termin_9\Aufgabe_6.

• 

  Abb. 2: Darstellung der Spurpolynome bei Gerade

• 

  Abb. 3: Darstellung der Spurpolynome bei Linkskurve

• 

  Abb. 4: zeigeSpurpolynom un Segmentierung in Gerade

• 

  Abb. 5: zeigeSpurpolynom un Segmentierung in Linkskurve

Analyse

Tabelle 1: Problembeschreibung

Beschreibung	Das Problem ist..	Das Problem ist nicht...
Was genau ist das Problem?	Bei Zeige der metrischen Spurpolynom in Fahrzeugkoordinaten werden den Einheit von Pixel in tatsächliche Länge nicht gut umwandeln	Zusätzliche Kannten werden nicht in Bilden anzeigen
Wo tritt das Problem auf?	Im der Video der metrischen Spurpolynom	Kamera und Video der Spurpolynom zu segmentieren
Wie zeigt sich das Problem?	Spurparameter a, b und c sind anormal	bei der Fahrzeugkoordinaten sind die Wert zu groß, und Der Ursprungpunkt der Koordinaten stimmt nicht mit dem Wagen überein.
Wann tritt das Problem auf?	Bei den metrischen Polynom zu polten
Warum ist es ein Problem?	Verwirrende Einheiten können nicht verwendet werden, um den Querregelung zu funktionieren und soll Bahn des Autos festzulegen

Tabelle 2: Problembeschreibung

Beschreibung	Das Problem ist..	Das Problem ist nicht...
Was genau ist das Problem?	Bei Linkskurve ist den Spurpolynom bei Zeige der Segmente nicht stabil
Wo tritt das Problem auf?	Der Anbiegen des Autos	Geradefahren
Wie zeigt sich das Problem?	erkennt Hindernisse am Straßenrand als Spuren
Wann tritt das Problem auf?	Fahren bei Linkskurve, besonders am die Ende	Geradefahren
Warum ist es ein Problem?	Misserkannt der Spur kann zum Abdriftung des Fahrzeuges von der Fahrspur

Tabelle 3: Ursachenanalyse

Nr.	Beschreibung
1	Bei Läuf der Programm ist der Umwandlung der Einheit falsch
2	Zusätzliche Kanten und Muster sind gerade weiß und schwarz, das ist einfach zu erkennen.

Tabelle 4: Maßnahmen zur Beseitigung der identifizierten Ursache(n)

Nr.	Maßnahme	Verantwortung	Termin	Status
1	Im Skript der metrischen Spurpolynom den Einheit von Koordinate umberechnen	Liu Pan Lin	04.07.2024
2	Im Skript der metrischen Spurpolynom den Einheit von Spurparametern umberechnen	Liu Pan Lin	04.07.2024
3	Visuelle Überprüfung durch Einblendung in das Ergebnisvideo	Liu Pan Lin	04.07.2024

Hinweis: Die Maßnahmen müssen nicht umgesetzt werden.

Zusammenfassung

• Zusammenfassung

Diese Aufgabe wird durch die Extraktion von Fahrspurmarkierungen und die Berechnung und Visualisierung der Fahrspurlinien zwischen der mittleren und der rechten Fahrspur auf der Grundlage einer polynomialen Interpolation erfüllt.

• Diskussion der Ergebnisse

Eine glatte und genaue Fahrbahnmodellierung kann durch polynomiale Interpolation erreicht werden.

• Ausblick

Optimierung des Algorithmus für Echtzeit-Verarbeitung, um ihn in realen Fahrzeugen einsetzen zu können.

• Lessons Learned

Die polynomiale Interpolation erweist sich als wirksame Methode zur Modellierung von Fahrspuren, insbesondere bei Verwendung einheitlicher y-Koordinaten.

Beantwortung der Lernzielkontrollfragen

Wie lassen sich die Spurpolynome für die 3 Segmente bestimmen?

Die Spurpolynome werden durch Extrahieren der Fahrspurpunkte und Anwenden der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt.

Welche Vor- und Nachteile hat die Polynombildung?

Vorteile:

Einfache Implementierung

Flexibilität bei Kurvenformen

Es ist möglich, die Krümmung des Spur zu visualisieren, um Querreglung zu funktionieren. Dadurch kann es dazu führen, welche Bahn das Auto fahren würde (Istgröße) und welche Bahn das Auto fahren soll (Sollgröße)

Nachteile:

Oszillationen bei höhergradigen Polynomen

Überanpassung

Numerische Instabilität

Wie könnten die Nachteile behandelt werden?

Verwendung niedrigerer Polynome

Einsatz von Spline-Interpolation

Anwendung von Glättungstechniken

Wie lauten die Umrechnungsfaktoren Pixel in m in xF- und yF-Richtung?

xF-Richtung: (2 * (Kamerahöhe + Abstand zur Fahrzeugfront) * tan(Kameraneigung)) / Bildhöhe in Pixel

yF-Richtung: Fahrzeugbreite / Bildbreite in Pixel

Wie wird der Blindbereich vorm Fahrzeug berücksichtigt?

Nur die sichtbaren Bereiche des Bildes werden transformiert und weiterverarbeitet.

Wie wird das Spurpolynom für die Querregelung aus den Spurpolynomen der Fahrbahnmarkierungen ermittelt?

Die Mittellinie wird als Mittelwert der Positionen der linken und rechten Fahrbahnmarkierungen bestimmt und durch ein Polynom approximiert.

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