Projekt 27: Carolo Cup - Aufgabe

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Aufgabenstellung: Objekt- und Spurerkennung mit Asus XTION

Das Projekt steht im Zusammenhang mit der Aufgabenstellung des Carolo Cups und befasst sich mit dem Teil der Objekt- und Spurerkennung. Das Ziel des Projektes ist die Erstellung eines Modules, welches rechteckige Objekte vor dem Fahrzeug erkennen kann. Gleichfalls soll das Modul in der Lage sein die Spur erkennen zu können.

Das Projekt wurde von Jan Kifmann und Hauke Ludwig (LCP)bearbeitet.

Implementierung - Hardware

Die Hardware besteht aus folgenden Teilen:

Asus XTION Kamera

Die Asus XTION Kamera besteht aus zwei Sensoren, sowie einer USB-Schnittstelle[1]:

  • RGB-Kamera
    Die RGB-Kamera hat eine Auflösung von 240x320 bzw. 480x640 Pixel. Die Daten werden hierbei in 8-Bits pro Farbwert gespeichert und als eindimensionales Array mit der Länge Höhe*Breite ausgegeben.
  • Tiefeninformationssensor
    Der Tiefeninformationssensor besitzt die gleiche Auflösung und hat einen Messbereich zwischen 0.8m und 3.5m. Die Werte werden ebenfalls als eindimensionales Array mit der Länge Höhe*Breite ausgegeben. Hierbei werden die Werte als 2-Byte-Format gespeichert.

Der RaspberryPi dient als zentrale Verarbeitungseinheit. Der RaspberryPi ist mit einem ARM1176JZFS-Prozessor ausgerüstet und eignet sich besonders für eine schnelle und einfache Verarbeitung der Kameradaten.

Implementierung - Software

Softwarezyklus

Die Implementierung der Software stützt sich auf eine sequenzielle Abarbeitung der Aufgaben. Dies ist durch die Architektur der Hardware bedingt. Das Ansprechen und Abfragen der Kameradaten wird durch die Einbindung der OpenNI2-Bibliothek[2] realisiert.

Grundlegend folgt die Software den Sequenzen Daten abfragen -> Daten aufarbeiten -> Auswerten -> Ausgeben. Hierbei wurde ein modularer Aufbau des Sourcecodes verwendet, dies diente der Transparenz und Orienterung im Code.

RGB-Kamera abfragen
Die Abfrage der Daten wird über die OpenNI-Bibliothek abgearbeitet. Grundlage ist das Beispielprogramm MultiStreamRead[3]. Aus diesem Beispiel wurde folgender Code zur Abfrage der RGB-Kamera genutzt:

       //Initialisierung der Bibliothek OpenNI
       Status rc = OpenNI::initialize();

       //Aufbau des Datenstreams
       Device device;
       rc = device.open(ANY_DEVICE);
       VideoStream RGB;
       rc = RGB.create(device, SENSOR_RGB);
       rc = RGB.start();
       VideoFrameRef frame;
       int changedStreamDummy;
       VideoStream* pStream = &RGB;
       rc = OpenNI::waitForAnyStream(&pStream, 1, &changedStreamDummy, SAMPLE_READ_WAIT_TIMEOUT);

       //Auslesen eines Frames
       rc = RGB.readFrame(&frame);
       RGB888Pixel* pRGB = (RGB888Pixel*)frame.getData();

       //Zerstören des Datenstreams
       depth.stop();
       depth.destroy();
       device.close();
       OpenNI::shutdown();
Wie aus dem Code ersichtlich, wird zuerst die Bibliothek OpenNI initialisiert. Nach der erfolgreichen Initialisierung kann ein Datenstream aufgebaut werden. Dieser Stream stellt die Verbindung zwischen dem Zielsystem und der Asus XTION. Durch diese Verbindung können einzelne Frames ausgelesen werden, welche dann in einem OpenNI-spezifischen Datentypen gespeichert werden.
Tiefeninformationen abfragen
Gleich zur Abfrage der RGB-Kamera lässt sich auch eine Abfrage der Tiefeninformationen gestalten. Hierbei werden nur wenige Änderungen vollzogen, sodass folgender Code entsteht:

       //Initialisierung der Bibliothek OpenNI
       Status rc = OpenNI::initialize();

       //Aufbau des Datenstreams
       Device device;
       rc = device.open(ANY_DEVICE);
       VideoStream depth;
       rc = depth.create(device, SENSOR_DEPTH);
       rc = depth.start();
       VideoFrameRef frame;
       int changedStreamDummy;
       VideoStream* pStream = &depth;
       rc = OpenNI::waitForAnyStream(&pStream, 1, &changedStreamDummy, SAMPLE_READ_WAIT_TIMEOUT);

       //Auslesen eines Frames
       rc = depth.readFrame(&frame);
       DepthPixel* pDepth = (DepthPixel*)frame.getData();

       //Zerstören des Datenstreams
       depth.stop();
       depth.destroy();
       device.close();
       OpenNI::shutdown();
Die Abfrage der Tiefeninformation unterscheidet sich von der Abfrage der RGB-Kamera nur durch die Auswahl des Sensors SENSOR_DEPTH und die Wahl des Datentypens, in dem gespeichert wird.
RGB zu Grayscale transformieren
Nach dem Auslesen der RGB-Kamera müssen die Daten in eine binäre Form gebracht werden, um durch einen vereinfachten Canny-Algorithmus[4] die Kanten extrahieren zu können. Um eine dynamische Verarbeitung zu ermöglichen, werden folgende Prozessschritte vollzogen: RGB -> Grayscale -> Binär. Die grundlegenden Schritte für die Umwandlung eines RGB-Bildes zu einem Grayscale-Bild lässt sich durch folgenden Pseudo-Code beschreiben:

       for (gesamtes Bild)
          Grau = (Faktor)*R+(Faktor)*G+(Faktor)*B
          Mittelwert aufaddieren
       end
       Mittelwert bilden

Durch die Bildung des Mittelwertes kann nun die Umwandlung in ein binäres Bild erfolgen. Hierzu wird die generelle Helligkeit des Bildes bewertet und anhand dieses Wertes ein Threshold ermittelt, welches entscheidet, ob ein Bit gesetzt wird oder nicht. Dies lässt sich durch folgenden Pseudo-Code beschreiben:

       Threshold ermitteln
       for (gesamtes Bild)
          if (Pixelwert < Threshold)
             Pixel setzen
          end
       end

Spur extrahieren
Durch die Ermittlung eines binären Bildes kann eine Kantendetektion erfolgen. Dies wird durch einen vereinfachten Canny-Algorithmus erzielt. An dieser Stelle wurde auf einen kompletten Canny verzichten, da dies die Leistung des RaspberryPi´s übersteigen würde. Der vereinfachte Canny bearbeitet das binäre Bild zeilenweise und sucht nach gesetzten Bits. Anhand der gefunden Bereiche können Linien durch mathematische Modelle gefunden werden.

      for (Bildbereiche)
         Suche nach gesetzten Pixeln
         Zusammenfügen der Pixel zu Bereichen
      end
      Abgleich der Bereiche mit math.Modell
      Ausgabe der Linien nach Abgleich

Die Ausgabe der Linien erfolgt durch eine Matrix, welche die einzelnen Pixel der Linie pro Zeile beinhaltet. Anhand dieser Matrix kann später durch weitere Prozessschritte eine Linienführung verwirklicht werden.
Objekte extrahieren
Die Informationen, welche der Tiefensensor ausgibt, müssen in Objekte transformiert werden, um aus diesen Informationen zu erkennen, wann Hindernissen ausgewichen werden muss. Um eine Optimierung des Algorithmus zu ermöglichen, werden sämtliche Bildbereiche ausgegraut, welche nicht interessant sind. Das Interesse an einzelnen Pixeln wurde im Vorweg anhand von Entfernung und Plausibilitäten definiert. Die gefunden interessanten Pixel werden nun anhand ihrer Nachbarpixel bewertet. Aus den Informationen über die Pixel können nun durch mathematische Modelle die Objekte extrahiert werden.
Spur und Objekte ausgeben
Die aus den vorhergehenden Modulen extrahierten Objekte und Spuren werden durch eine definierte Schnittstelle an weitere Module übergeben. Die übergebenen Informationen werden anhand von Arrays folgender Form ausgegeben:

      Objekte: int [n][7]   //n definiert die Anzahl der Objekte
             [n][0] | [n][1] | [n][2] | [n][3] | [n][4] | [n][5] | [n][6]
              x-Pos   Tiefe    x-Pos    Tiefe    x-Pos    Tiefe    y-Pos
              links   links    Mitte    Mitte    rechts   rechts

Einzelnachweise

  1. ↑ [1] Asus XTION Spezifikationen (07.01.2014)
  2. ↑ [2]OpenNI-Bibliothek (07.01.2014)
  3. ↑ [3] OpenNI2::MultiStreamRead Beispielprogramm (07.01.2014)
  4. ↑ [4] Papageorgiou, Leibold, Buss: Optimierung - Statistische, dynamische, stochastische Verfahren für die Anwendung, Springer, ISBN 978-3-540-34012-6 (S.441ff.)
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