Быстродействующий и высокоточный алгоритм определения угловых координат трехмерного бестекстурного объекта на основе контурного анализа

Аннотация

Приведен быстродействующий алгоритм определения трех угловых координат трехмерного бестекстурного объекта на основе контурного анализа монокулярных изображений. Алгоритм можно применять для определения углового положения воздушных судов, космических аппаратов и других объектов. Вычисление угловых координат основано на сопоставлении дескрипторов наблюдаемого и эталонного контуров объекта. На этапе подготовки дескриптора эталонного контура объекта его трехмерная поверхность, задаваемая полигональной сеткой, преобразуется в трехмерный дескриптор на основе трехмерного дискретного преобразования Фурье. Угловые координаты определены путем решения задачи минимизации разности дескриптора Фурье наблюдаемого контура и дескриптора эталонного контура, получаемого двухмерной интерполяцией из трехмерного дескриптора эталонного контура. Для достижения быстродействия и высоких показателей точности в алгоритме реализован принцип итерационного повышения точности интерполяции дескриптора эталонного контура. В целях повышения скорости работы алгоритма выполнено распараллеливание процесса поиска оптимизационных минимумов. Приведено описание алгоритма, продемонстрированы результаты моделирования работы реализованного алгоритма с синтезированными изображениями воздушного судна на этапе посадки. По результатам моделирования быстродействие алгоритма без применения графического процессора составило 0,25 мс на один объект в режиме обнаружения и менее 0,1 мс в режиме слежения. Среднеквадратическое отклонение погрешности определения угловых координат составило порядка 0,23...0,3°

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Артемьев А.Е. Быстродействующий и высокоточный алгоритм определения угловых координат трехмерного бестекстурного объекта на основе контурного анализа. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2024, № 3 (148), с. 115--135. EDN: XLRKVJ

Литература

[1] Wallace T.P., Wintz P.A. An efficient three-dimensional aircraft recognition algorithm using normalized Fourier descriptors. Comput. Graph. Image Process., 1980, vol. 13, no. 2, pp. 99--126. DOI: https://doi.org/10.1016/S0146-664X(80)80035-9

[2] Breuers M., de Reus N. Image-based aircraft pose estimation: а comparison of simulations and real-world data. Proc SPIE., 2001, vol. 4379, pp. 472--479. DOI: https://doi.org/10.1117/12.445395

[3] Малышев О.В. Определение пространственного положения и распознавание типов летательных аппаратов на основе контурного анализа. Дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, РГАТУ, 2011.

[4] Alpatov B., Babayan P. Contour-based object orientation estimation. Proc. SPIE, 2016, vol. 9897, art. 98970H. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2224249

[5] Zhang X., Jiang Z., Zhang H., et al. Vision-based pose estimation for textureless space objects by contour points matching. IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 2018, vol. 54, no. 5, pp. 2342--2355. DOI: https://doi.org/10.1109/TAES.2018.2815879

[6] Fu T., Sun X. The relative pose estimation of aircraft based on contour model. Proc. SPIE, 2017, vol. 10250, art. 102502T. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2267118

[7] Alpatov B., Babayan P., Ershov M., et al. The implementation of contour-based object orientation estimation algorithm in FPGA-based on-board vision system. Proc. SPIE, 2016, vol. 10007, art. 100070A. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2241091

[8] Мирзоян А.С. Разработка систем распознавания и позиционирования летательных аппаратов и наземных объектов на основе методов вычислительной геометрии. Дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, РГАТУ, 2017.

[9] Мирзоян А.С., Малышев О.В., Хмаров И.М. и др. Распознавание летательных аппаратов оптической системой в реальном масштабе времени. Вестник МАИ, 2014, т. 21, № 5, с. 145--156. EDN: TGWHHX

[10] Fu D., Li W., Han S., et al. The pose estimation of the aircraft on the airport surface based on the contour features. IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., 2023, vol. 59, no. 2, pp. 817--826. DOI: https://doi.org/10.1109/TAES.2022.3192220

[11] On S., Kim S., Yang K., et al. Monocular 3D pose estimation of very small airplane in the air. MMAsia’23, 2023, art. 82. DOI: https://doi.org/10.1145/3595916.3626456

[12] Li B., Raja S., Li J., et al. A Fourier descriptor and PSCS-RBF fusion method for pumping machine fault diagnosis. Durham, Research Suare, 2023. DOI: https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-2878163/v1

[13] Andrews M., Kakarala R. Shape simplification through polygonal approximation in the Fourier domain. Proc. SPIE, 2015, vol. 9406, art. 94060D. DOI: https://doi.org/10.1117/12.2078148

[14] Liao N., Guo B., Li Z., et al. An advanced Fourier descriptor based on centroid contour distances. J. Phys.: Conf. Ser., 2021, vol. 1735, art. 012002. DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1735/1/012002

[15] Park K.S., Lee N.S. A three-dimensional Fourier descriptor for human body representation/reconstruction from serial cross sections. Comput. Biomed. Res., 1987, vol. 20, no. 2, pp. 125--140. DOI: https://doi.org/10.1016/0010-4809(87)90040-1

[16] Artemyev A. Formation of a 3D descriptor for reconstruction of an object contour for contour analysis algorithms. Durham, Research Suare, 2023. DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.30881.79208

[17] Artemyev A. Estimating 6D position of a three-dimensional object from 2D contour on image in real time. Durham, Research Suare, 2023. DOI: https://doi.org/10.13140/RG.2.2.29204.07048

[18] Open Source Computer Vision Library: opencv.org: веб-сайт. URL: https://opencv.org (дата обращения: 16.01.2024).

[19] Garcia-Molla V., Alonso P. Parallel border tracking in binary images for multicore computers. J. Supercomput., 2023, vol. 79, no. 7, pp. 9915--9931. DOI: https://doi.org/79.10.1007/s11227-023-05052-2

[20] Artemyev A. High-speed and high-precision algorithm for determining the spatial position of a helicopter based on its image for automatic landing systems. TsAGI Int. Aeronautics Congress, 2023.

[21] Leng D., Sun W. Contour-based iterative pose estimation of 3D rigid object. IET Comput. Vis., 2011, vol. 5, no. 5, pp. 291--300. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-cvi.2010.0098

[22] Zhang X., Zhang H., Wei Q., et al. Pose estimation of space objects based on hybrid feature matching of contour points. IGTA. Springer, 2016, pp. 184--191. DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-10-2260-9_21