Ampelphasenerkennung

Einleitung

Dieser Artikel wurde für die Übung des Kurses Digitale Signal- und Bildverarbeitung verfasst und dokumentiert die Ergebnisse des Projektes "Ampelphasenerkennung". Die allgemeinen Ziele der Projekte können im Wiki-Artikel DSB SoSe2016 eingesehen werden.

Aufgabenstellung

Die Aufgabe lautete eine Algorithmus zu implementieren, der aus einer aufgezeichenten Autofahrt erkennt, ob sich eine Ampel auf den einzelnen Frames befindet und welche Ampelphase diese zeigt. Das Video sollte mit einer an der Front des Autos angebrachten Kamera erstellt werden. Als Entwicklungsumgebung sollte Matlab verwendet werden.

Lösungsansatz

Zur Lösung der Aufgabe wurden zunächst Farbmasken entwickelt, die nur die Ampelfarben anzeigen und den Hintergrund und andere Objekte herausfiltern sollen. Anschließend wird das Fild so bereinigt, dass kleine Objekte entfernt werden und größere Objekte besser erkennbar werden.

Vorgehen

Erstellung von Farbmasken zur Ampelfarben-Erkennung

Zu Beginn wurden mithilfe der von Matlab zur Verfügung gestellten App "Color Thresholder" Bildmasken entwickelt, die Ampelfarben anzeigen und den Hintergrund ausblenden sollten. Da die App ein gewünschtes Beispielbild in den einzelnen Farbkanälen der Farbräume RGB, HSV, YCbCr und L*A*B* anzeigt, konnte an dieser Stelle analysiert werden, welcher Farbraum sich am besten für die Erkennung der Ampelphasen eignet (siehe Abb. 1). Der HSV-Farbraum stellte sich dabei als am geeignetster heraus, da sich die Ampelfarben hier am deutlichsten in den einzelnen Kanälen hervorheben. Um den Hintergrund und die unrelevanten Bildbereiche zu entfernen, wurden in der Applikation verschiedene Schwellwerte der einzelnen Farbkanäle getestet. Pixelwerte, die außerhalb der definierten Grenzen liegen werden mit einer 0 überschrieben und schwarz dargestellt. Den Einfluss dieser Schwellwerte werden direkt am ausgewählten Beipsielbild visualisiert, wodurch die Anpassung der einzelnen Parameter sehr einfach aber auch sehr genau umgesetzt werden kann. Ist eine zufriedenstellende Maske gefunden, kann daraus eine Matlab-Funktion generiert werden. Diese Funktionen wurden für die Ampelfarben grün, gelb und rot erstellt. Ein Aufruf der Funktion liefert die entsprechenden Bildbereiche als Binärbild und als Bild-Maske, in der die Farbinformationen erhalten bleiben.

Die generierte Matlab-Funktion sieht beispielsweise wie folgt aus: function [BW,maskedRGBImage] = FindGreen(RGB) %createMask Threshold RGB image using auto-generated code from colorThresholder app. % [BW,MASKEDRGBIMAGE] = createMask(RGB) thresholds image RGB using % auto-generated code from the colorThresholder App. The colorspace and % minimum/maximum values for each channel of the colorspace were set in the % App and result in a binary mask BW and a composite image maskedRGBImage, % which shows the original RGB image values under the mask BW.

% Auto-generated by colorThresholder app on 08-Jun-2016 %------------------------------------------------------

% Convert RGB image to chosen color space I = rgb2hsv(RGB);

% Define thresholds for channel 1 based on histogram settings channel1Min = 0.352; channel1Max = 0.437;

% Define thresholds for channel 2 based on histogram settings channel2Min = 0.796; channel2Max = 1.000;

% Define thresholds for channel 3 based on histogram settings channel3Min = 0.241; channel3Max = 1.000;

% Create mask based on chosen histogram thresholds BW = (I(:,:,1) >= channel1Min ) & (I(:,:,1) <= channel1Max) & ...

   (I(:,:,2) >= channel2Min ) & (I(:,:,2) <= channel2Max) & ...
   (I(:,:,3) >= channel3Min ) & (I(:,:,3) <= channel3Max);

% Initialize output masked image based on input image.
maskedRGBImage = RGB;

% Set background pixels where BW is false to zero. maskedRGBImage(repmat(~BW,[1 1 3])) = 0;

Bildbereinigung

Für die weitere Verarbeitung werden die einzelnen Binärbilder der Funktionen verwendet. Es werden geschlossene Strukturen ausgefüllt, da der hellste Bereich der Ampel meistens in der Mitte des Kreises liegt und bei eng gewählten Schwellwerten herausgefiltert werden. Da die drei Ampelscheiben immer rund sind, kann davon ausgegangen werden, dass das Ampelobjekt dennoch geschlossen ist und der Fehler damit ausgeglichen werden kann. Außerdem wird eine Mindestanzahl an zusammenhängenden Pixeln festgelegt. Wird diese Anzahl unterschritten, wird dieses Objekt ebenfalls aus dem Binärbild entfernt und kann ignoriert werden. Somit werden Objekte, die nah an den Schwellwerten liegen und in einzelnen Pixeln die Farbmaske passieren herausgefiltert. Als Resultat erhält man ein bereinigtes Binärbild, in dem sich ausschließlich größere Objekte der entsprechenden Farbe befinden. Bereits zu diesem Zeitpunkt kann davon ausgegangen werden, dass es sich bei dem Objekt um eine Ampel handelt.