Application of object contrast for forming images used in technical vision systems for navigation of mobile robots

Abstract

The purpose of the article is to substantiate the feasibility of using object contrast as an informative feature for the formation of images used in technical vision systems. This goal is achieved by studying the dependence of the contrast of objects in images on the viewing geometry and determining the conditions under which the greatest similarity of the compared images is ensured. The solution to the first problem is based on the presentation of reference information about sighted objects, taking into account the navigation parameters of mobile robots. By modeling in the MATLAB software environment for typical viewing conditions, selective images were obtained using randomly selected fragments from Google Earth Pro, the distribution of contrast values and the cross-correlation function of the original and selective images. The influence of viewing angles on the distribution of contrasts and the formation of the decisive function was determined. The studies were performed for viewing angles of -60 ̊, -80 ̊ and -90 ̊ for altitudes in the range from 500 to 600 meters. The most significant result is a model of a set of reference images, taking into account the influence of navigation parameters on the contrast of objects, as well as experimentally established dependences of the distribution of contrasts for typical viewing conditions. The novelty of the work lies in the fact that the procedure for generating images and the decision function using the contrast of objects has been further developed. This will significantly increase the efficiency of selection of objects with insignificant brightness characteristics.

Scopul articolului este argumentarea fezabilității utilizării contrastului obiectelor ca caracteristică informativă pentru formarea imaginilor utilizate în sistemele tehnice de viziune. Acest obiectiv este atins prin studierea dependenței contrastului obiectelor din imagini de geometria vizualizării și determinarea condițiilor în care se asigură cea mai mare similitudine a imaginilor comparate. Soluția primei probleme se bazează pe prezentarea informațiilor de referință despre obiectele văzute, ținând cont de parametrii de navigare ai roboților mobili. Prin modelarea în mediul software MATLAB pentru condiții tipice de vizualizare, imaginile selective au fost obținute folosind fragmente selectate aleatoriu din Google Earth Pro, distribuția valorilor de contrast și funcția de corelare încrucișată a imaginilor originale și selective. S-a determinat influența unghiurilor de vizualizare asupra distribuției contrastelor și a formării funcției decisive. Studiile au fost efectuate pentru unghiuri de vizualizare de -60 ̊, -80 ̊ și -90 ̊ pentru altitudini în intervalul de la 500 la 600 de metri. Rezultatul cel mai semnificativ este un model al unui set de imagini de referință, luând în considerare influența parametrilor de navigare asupra contrastului obiectelor, precum și dependențele stabilite experimental ale distribuției contrastelor pentru condițiile tipice de vizualizare. Noutatea lucrării constă în faptul că procedura de generare a imaginilor și funcția de decizie folosind contrastul obiectelor a fost elaborată în continuare. Acest lucru va crește semnificativ eficiența selecției obiectelor cu caracteristici de luminozitate nesemnificative.

Целью статьи является обоснование целесообразности применения контраста объектов в качестве информативного признака для формирования изображений, используемых в системах технического зрения. Поставленная цель достигается путем исследования зависимости контраста объектов на изображениях от геометрии визирования и определения условий, при которых обеспечивается наибольшее сходство сравниваемых изображений. Решение первой задачи основано на представлении эталонной информации об объектах визирования с учетом навигационных параметров мобильных роботов в виде многомерных матриц, в которых для каждого отдельного элемента i-го эталонного изображения формируется своя соответствующая р-мерная матрица. Дальнейшая процедура выделения искомого объекта на текущем изображении включает этап бинаризации с последующим квантованием в выбранном диапазоне контрастов. Путем моделирования в программной среде MATLAB для типовых значений высоты получены селективные изображения района привязки с использованием случайно выбранных фрагментов из Google Earth Pro, распределения значений контрастов и взаимная корреляционная функция исходного и селективного изображений. Установлено, что использование контраста объектов в качестве информативного параметра позволяет формировать унимодальную решающую функцию. Путем моделирования определено влияние углов визирований на распределение контрастов, а, соответственно, на формирование решающей функции. Исследования выполнены для углов визирования -60 ̊, -80 ̊ и -90 ̊ для высот в диапазоне от 500 до 600 метров. Наиболее существенным результатом являются модель совокупности эталонных изображений с учетом влияния навигационных параметров на контраст объектов, а также экспериментально установленные зависимости распределения контрастов для типовых условий визирования. Новизна работы заключается в том, что получила дальнейшее развитие процедура формирования изображений и решающей функции с использованием набора изображений, построенных с использованием информативного параметра – контраста объектов. Это позволит значительно повысить эффективность селекции объектов с незначительными яркостными характеристиками.