SoSe24 - Praktikum Systementwurf - Spurpolynom

Datei:GeradeInKurve Spurpolynom.gif

Abb. 1: Fügen Sie hier ein animiertes GIF Ihres Ergebnisses ein.

Autoren:	Yunkai Lin, Xiangyao Liu, Yuhan Pan
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

• Beschreibung die Theorie der Polynombildung
• Beschreiben Sie die KOS-Trafo Bild- zu Fahrzeugkoordinaten
• Berücksichtigung des Blindbereichs
• Wie wird das Spurpolynom für die Querregelung aus den Spurpolynom der Fahrbahnmarkierungen ermittelt?

PAP

PAP Ihrer Lösung

Programmablaufplan  PAP Ihrer Lösung

Quelltext

• MATLAB Quelltext Ihrer Lösung mit Header und Kommentaren.
• Beachten Sie die Programmierrichtlinien für MATLAB^®.

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
clc; clear all; close all;

%% Pfade einstellen und Parameter laden
addpath 'C:\Semesterordner\SS2024\Team_3_Liu_Pan_Lin\Termin_9\Aufgabe_6'

% Parameter einstellen
Kameraneigung = 10; % Kameraneigung, Einheit: Grad
Kamerahoehe = 27.5 / 100; % Kamerahöhe über Boden, Einheit: Meter
FahrzeugfrontKamera = 27 / 100; % Abstand von Fahrzeugfront bis Kamera, Einheit: Meter
Fahrzeugbreite = 20 / 100; % Fahrzeugbreite, Einheit: Meter

% Winkel in Radiant umrechnen
Kameraneigung_rad = deg2rad(Kameraneigung);

% Video und Auflösung laden
stDateiname = 'GeradeInKurve_IPT.mp4';
hVideo = VideoReader(stDateiname);
width = hVideo.Width;
height = hVideo.Height;

% Berechnung der tatsächlichen Entfernung pro Pixel (angenommen, die Breite des Fahrzeugs wird von der Sichtweite der Kamera abgedeckt)
d_per_pixel = Fahrzeugbreite / width; % tatsächliche Entfernung pro Pixel, Einheit: Meter

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

% Video-Schreibobjekt öffnen
outputVideo = VideoWriter('GeradeInKurve_Spurpolynom.mp4', 'MPEG-4');
open(outputVideo);

% Initialisierung der Matrix zur Speicherung der Polynomkoeffizienten
PolyCoeffsHistory = zeros(nMaxBilder, 3); % Angenommen, es gibt drei Koeffizienten für das quadratische Polynom

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 einfärben
    % Farbkanäle 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 zusammenfügen

    %% Fahrspuren in Vektoren kopieren
    [yRechts, xRechts] = find(aRechteFahrspur);
    [yMitte, xMitte] = find(aMittelFahrspur);

    % Sicherstellen, dass die Stichprobenpunkte einzigartig sind
    [yRechts, uniqueIdxRechts] = unique(yRechts);
    xRechts = xRechts(uniqueIdxRechts);
    [yMitte, uniqueIdxMitte] = unique(yMitte);
    xMitte = xMitte(uniqueIdxMitte);

    % Punkteanzahl ausgleichen
    if length(xRechts) > 1 && length(xMitte) > 1
        if length(xRechts) > length(xMitte)
            xMitteInterp = interp1(yMitte, xMitte, yRechts, 'linear', 'extrap');
            yMitteInterp = yRechts;
            xRechtsInterp = xRechts;
            yRechtsInterp = yRechts;
        else
            xRechtsInterp = interp1(yRechts, xRechts, yMitte, 'linear', 'extrap');
            yRechtsInterp = yMitte;
            xMitteInterp = xMitte;
            yMitteInterp = yMitte;
        end

        % Berechnung der Mittellinie der rechten Fahrspur
        xB = (xRechtsInterp + xMitteInterp) / 2;
        yB = (yRechtsInterp + yMitteInterp) / 2;

        % Umrechnung in Fahrzeugkoordinaten (angenommen, die Bildmitte ist der Ursprung des Fahrzeugkoordinatensystems)
        xF = (xB - width / 2) * d_per_pixel; % Querkoordinate, Einheit: Meter
        yF = (height - yB) * d_per_pixel; % Längskoordinate, Einheit: Meter

        % Punkte in eine Matrix umwandeln
        aWegpunkte = [xF'; yF'];

        % Quadratische Polynominterpolation durchführen
        PolynomKoeffizienten = interpoliereFahrspur(aWegpunkte, 2);

        % Speicherung der aktuellen Polynomkoeffizienten
        PolyCoeffsHistory(nBild, :) = PolynomKoeffizienten;

        % Polynomkoeffizienten mit gleitendem Durchschnitt glätten
        if nBild > 1
            windowSize = 5; % Größe des gleitenden Durchschnittsfensters
            for j = 1:3
                startIdx = max(1, nBild - windowSize + 1);
                PolyCoeffsHistory(nBild, j) = mean(PolyCoeffsHistory(startIdx:nBild, j));
            end
        end

        %% Weiße Parabel zeichnen (Querregelung)
        xVehicle = linspace(min(xF), max(xF), 100);
        yFitQuer = polyval(PolyCoeffsHistory(nBild, :), xVehicle);

        % Umrechnung der Fahrzeugkoordinaten in Bildkoordinaten
        xVehicle_img = (xVehicle / d_per_pixel) + width / 2;
        yFitQuer_img = height - (yFitQuer / d_per_pixel);

        % Sicherstellen, dass die interpolierten Punkte im Bildbereich liegen
        validIdxQuer = (yFitQuer_img >= 1) & (yFitQuer_img <= height);
        
        for i = 1:length(xVehicle_img)
            if validIdxQuer(i)
                yCoord = round(yFitQuer_img(i)); % y-Wert in Bildkoordinaten umrechnen
                if yCoord > 0 && yCoord <= height && round(xVehicle_img(i)) > 0 && round(xVehicle_img(i)) <= width
                    aRGBBild(yCoord, round(xVehicle_img(i)), 1) = 255; % R
                    aRGBBild(yCoord, round(xVehicle_img(i)), 2) = 255; % G
                    aRGBBild(yCoord, round(xVehicle_img(i)), 3) = 255; % B
                end
            end
        end
    end
    
    % Ergebnis im Video speichern
    writeVideo(outputVideo, aRGBBild);
end

% Video-Schreibobjekt schließen
close(outputVideo);

% Polynomkoeffizienten speichern
save('Spurpolynom.mat', 'PolyCoeffsHistory');

%% Hilfsfunktion
function PolynomKoeffizienten = interpoliereFahrspur(aWegpunkte, n)
    % Berechnung der kleinsten Quadrate Lösung für die n-te Ordnung der Polynominterpolation
    A = ones(size(aWegpunkte, 2), n + 1);
    for k = 1:n
        A(:, k) = aWegpunkte(1, :).^(n + 1 - k);
    end
    b = aWegpunkte(2, :)';
    PolynomKoeffizienten = A \ b; % Kleinste Quadrate Lösung
end

Ergebnisse

• Darstellung der Ergebnisse
• Links zu den Arbeitsergebnissen

Analyse

Tabelle 1: Problembeschreibung

Beschreibung	Das Problem ist..	Das Problem ist nicht...
Was genau ist das Problem?
Wo tritt das Problem auf?	Beispiel	Beispiel
Wie zeigt sich das Problem?	Beispiel	Beispiel
Wann tritt das Problem auf?	Beispiel	Beispiel
Warum ist es ein Problem?	Beispiel	Beispiel

Tabelle 2: Ursachenanalyse

Nr.	Beschreibung
1	Warum?

Tabelle 3: Maßnahmen zur Beseitigung der identifizierten Ursache(n)

Nr.	Maßnahme	Verantwortung	Termin	Status
1		Max Mustermann

Hinweis: Die Maßnahmen müssen nicht umgesetzt werden.

Zusammenfassung

• Zusammenfassung
• Diskussion der Ergebnisse
• Ausblick
• Lessons Learned

Beantwortung der Lernzielkontrollfragen

1. Wie lassen sich die Spurpolynome für die 3 Segmente bestimmen.
2. Welche Vor- und Nachteile hat die Polynombildung?
3. Wie könnten die Nachteile behandelt werden?
4. Wie lauten die Umrechnungsfaktoren Pixel in m in xF- und yF-Richtung.
5. Wie wird der Blindbereich vorm Fahrzeug berücksichtigt?
6. Wie wird das Spurpolynom für die Querregelung aus den Spurpolynom der Fahrbahnmarkierungen ermittelt?

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