ĐẶT VẤN ĐỀ Cùng với sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật trong một vài thập kỷ gần đây, xử lý ảnh tuy là một ngành khoa học còn tƣơng đối mới mẻ so với các ngành khoa học khác nhƣng hiện nay đang là một trong những lĩnh vực phát triển rất nhanh và thu hút sự quan tâm đặc biệt từ các nhà khoa học, thúc đẩy các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng về lĩnh vực hấp dẫn này [1]. Xử lý ảnh đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng thực tế về khoa học kỹ thuật cũng nhƣ trong cuộc sống hằng ngày nhƣ: sự di chuyển của Robot, các phƣơng tiện đi lại tự trị, công cụ hƣớng dẫn cho ngƣời khuyết tật [2]. Công nghệ quét 3D là một quá trình xác định hình dạng bề mặt của vật thể trong không gian ba chiều để tạo ra mô hình kỹ thuật số 3D [3]. Quét 3D đã mở ra một bƣớc ngoặt mới trong công nghệ 3D, bất kỳ mô hình vật chất nào tồn tại trên trái đất đều có thể mô hình hóa bằng dữ liệu kỹ thuật số chỉ trong vài giờ đồng hồ.
Công nghệ này đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ sản xuất cơ khí, khảo cổ học, y tế đến giao thông và xây dựng [4]. Ứng dụng công nghệ quét 3D sẽ giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí và nâng cao chất lƣợng của sản phẩm. Camera 3D hiện đang đƣợc xem là loại camera có độ ứng dụng cao trong khoa học kỹ thuật vì camera này có khả năng ghi nhận chiều sâu của đối tƣợng, tƣơng tự nhƣ mắt con ngƣời [5]. Dựa trên các nghiên cứu cùng với các hoạt động thực tiễn hiện nay, chúng ta có thể nhận ra công nghệ quét 2D và 3D đang phổ biến hơn bao giờ hết, nó đƣợc ứng dụng trên mọi lĩnh vực, trong mọi mặt của đời sống.
Đề tài: “Thiết kế mô hình robot thu thập ảnh và vẽ bản đồ môi trường trong nhà dùng camera 3D” đƣợc lựa chọn thực hiện sẽ có chức năng thu thập hình ảnh và tái hiện lại bản đồ ở môi trƣờng xung quanh dựa trên các thông tin đƣợc thu thập từ camera 3D.2 MỤC TIÊU Mục tiêu của đề tài là thiết kế mô hình robot thu thập ảnh và vẽ bản đồ môi trƣờng trong nhà sử dụng camera 3D Kinect, cụ thể là: - Thiết kế mô hình robot đƣợc điều khiển thông qua Bluetooth. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN - Ứng dụng hệ thống ROS trên nền tảng thƣ viện có sẵn để thu thập, xử lý hình ảnh 3D, trên cơ sở đó vẽ đƣợc bản đồ môi trƣờng trong nhà.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Đề tài: “Thiết kế mô hình robot thu thập ảnh và vẽ bản đồ môi trường trong nhà dùng camera 3D” có những nội dung sau: NỘI DUNG 1: Tìm hiểu về công nghệ quét 3D. NỘI DUNG 2: Tìm hiểu về camera 3D và các Module liên quan.
NỘI DUNG 3: Xây dựng mô hình và chƣơng trình điều khiển Robot. NỘI DUNG 4: Xây dựng chƣơng trình trên Python. NỘI DUNG 5: Hoàn thành mô hình. NỘI DUNG 6: Đánh giá kết quả thực hiện.4 GIỚI HẠN Với đề tài: “Thiết kế và thi công mô hình robot thu thập ảnh và vẽ bản đồ môi trường trong nhà dùng camera 3D” có các giới hạn bao gồm: - Thiết kế mô hình sử dụng camera 3D để thu thập hình ảnh và bản đồ trong không gian nhỏ.
- Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python. - Mộ hình hoạt động trong điều kiện ánh sang đầy đủ, các bề mặt ánh xạ tốt.5 BỐ CỤC Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng này trình bày vấn đề dẫn nhập lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết Chƣơng này sẽ trình bày cơ bản về công nghệ quét 3D, và các thuật ngữ liên quan, giới thiệu cơ bản về camera 3D và thƣ viện liên quan. Chƣơng 3: Thiết kế và tính toán Chƣơng này sẽ đi tìm hiểu kỹ các thuật toán biến đổi tọa độ, các ma trận chuyển đổi và thiết kế mô hình Robot.
Chƣơng 4: Thi công hệ thống Nội dung của chƣơng là quá trình thi công cùng với việc chạy chƣơng trình về thu thập hình ảnh và vẽ lại bản đồ. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 do an CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN Chƣơng 5: Kết quả nhận xét và đánh giá Đây là chƣơng tổng hợp các kết quả đạt đƣợc sau khi thi công mô hình. Chƣơng 6: Kết luận và hƣớng phát triển Kết quả nhận đƣợc khi hoàn thiện đề tài, đƣa ra các hƣớng phát triển đề đề tài đƣợc hoàn thiện hơn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP XÂY DỰNG BẢN ĐỒ 2. SLAM đại diện cho định vị (Localization) và tái tạo bản đồ (Mapping). Từ đó, thiết bị (Robot, camera, xe) có thể định vị vị trí của chúng đang ở đâu, trạng thái, tƣ thế của nó trong bản đồ để tự động thiết lập đƣờng đi trong môi trƣờng hiện tại.
SLAM là một quá trình lặp đi lặp lại – thiết bị càng lặp lại nhều lần, nó càng có thể định vị chính xác trong không gian đó. Có nhiều loại SLAM khác nhau. Có SLAM sử dụng dữ liệu trực quan (hình ảnh từ camera) làm nguồn thông tin chính. Có 2D SLAM, chỉ chú trọng đến chuyển động trong 2 trục.
Sau đó là 3D SLAM, chủ yếu tập trung vào đo lƣờng và lập bản đồ 3D chính xác về môi trƣờng. Để tái tạo môi trƣờng vào bản đồ, thực thể phải nhận thông tin các phần tử trong môi trƣờng xung quanh nhờ các cảm biến ngoại vi và cảm biến nội vi. Và hầu nhƣ mọi cảm biến đều bị ảnh hƣởng bởi nhiễu và khả năng có hạn của chúng. Cảm biến ngoại vi (Exteroceptive Sensor) Cảm biến ngoại vi nhận và đo thông tin các thành phần ở môi trƣờng xung quanh.
Một số loại cảm biến thông dụng : - Sonar : Thiết bị sử dụng sóng âm thanh thu đƣợc để dò tìm và xác định vị trí của đối tƣợng dƣới nƣớc, ngoài ra nó còn đƣợc sử dụng cả trên đất liền. - Laser Rangefinder : Thiết bị sử dụng tia laser để xác định khoảng cách đến một đối tƣợng, phƣơng pháp đƣợc sử dụng phổ biến là toán tử Time – Of – Flight (gởi một chùm tia laser đến đối tƣợng và đo thời gian phản xạ lại từ đối tƣợng về nơi bắn tia laser). - Camera : Thu thập hình ảnh từ môi trƣờng xung quanh. BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 do an CHƢƠNG 2.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Hệ thống định vị GPS : Xác định vị trí tọa độ của đối tƣợng dựa trên các vệ tinh nhân tạo đƣợc đặt trên quỹ đạo không gian. Cảm biến GPS không thể hoạt động dƣới nƣớc và ngay cả trong nhà. Cảm biến nội vi (Proprioceptive Sensor) Cảm biến nội vi giúp cho thực thể đo đƣợc tốc độ, sự thay đổi vị trí và gia tốc của chính thực thể. Một số loại cảm biến sử dụng trong thực tế : - Encoder : Là thiết bị đƣợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển tự động để báo vận tốc.
- Accelerometers : Máy đo gia tốc, gia tốc kế cho biết hai thông số là phƣơng (Vector 3 chiều x, y, z) và chuyển động. Đƣợc sử dụng nhiều trong một số game dựa vào cảm biến : đua xe. - Gyroscope : con quay hồi chuyển, là thiết bị để đo hoặc duy trì phƣơng hƣớng. Hệ thống SLAM sẽ xảy ra lỗi khi hoạt động trong môi trƣờng động, môi trƣờng có phạm vi quá lớn, môi trƣờng có quá nhiều hoặc quá ít đặc trung, khi camera di chuyển không ổn định và khi các cảm biến xảy ra xung đột.1 : Bản đồ vẽ bằng phương pháp SLAM 2.2 3D Structured Light 3D Structured Light là công nghệ quét quang học không tiếp xúc, sử dụng các mẫu ánh sáng để thực hiện quét 3D.
Các mẫu ánh sáng khác nhau đƣợc chiếu lên vật thể và máy quét ghi lại vị trí và cách các mẫu ánh sáng bị biến dạng bởi vật thể. Thông qua lƣợng giác đơn giản, khoảng cách và vị trí của hàng ngàn điểm dữ liệu trong đó mô hình ánh sáng chiếu vào đối tƣợng đƣợc tính toán. Vị trí của các điểm này trên bề BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT mặt vật thể là một hình tam giác, sử dụng camera là điểm tham chiếu.
Kết quả cuối cùng là một đám mây điểm minh họa cho vật thể[7]. Khi một lần chụp của vật thể đƣợc hoàn thành, vật thể sẽ đƣợc xoay hoặc camera đƣợc di chuyển để chụp một góc khác. Nhiều bức ảnh đƣợc chụp theo kiếu này đƣợc lặp đi lặp lại cho đến khi hoàn thành một vòng quay 360°. Có hai loại ánh sáng đƣợc sử dụng chủ yếu là ánh sáng trắng và ánh sáng xanh.
Cả hai ánh sáng này có liên quan chặt chẽ với nhau. Quét 3D ánh sáng trắng là tiền thân của quét 3D ánh sáng xanh, đƣợc tạo ra để cải tiến công nghệ quét ánh sáng có cấu trúc ban đầu. Quét ánh sáng xanh tạo ra độ phân giải cao hơn và quét chính xác hơn quét ánh sáng trắng.2: Bản đồ 3D vẽ bằng phương pháp Structured Light 2.3 Xây dựng bản đồ bằng phƣơng pháp quét Laser Camera ánh sáng chiếu một chùm tia laser lên bề mặt của vật thể, sau đó tia laser phản xạ và trở lại cảm biến. Thời gian giữa phép chiếu và phản xạ đƣợc đo và diễn giải dƣới dạng thông tin hình học [8].
Về cơ bản, khoảng cách giữa máy quét và vật thể đƣợc tìm thấy vì tốc độ ánh sáng (laser) là biến đƣợc biết đến. Khi quét, có thể tạo ra các đám mây điểm (thay vì một vài trăm điểm) thể hiện một cách chính xác và chi tiết đối tƣợng trong thực tế mà các tia laser đã đi qua. Những điểm này có thể đƣợc sử dụng để ngoại suy hình dạng của vật thể. Mức độ chính xác của quét laser là khá cao vì hàng triệu xung laser đƣợc chiếu và nhận trong một khoảng thời gian ngắn.
BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 do an CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tốc độ quét phụ thuộc vào mật độ điểm muốn tái tạo của vật thể. Quét laser đƣợc sử dụng khi một vật thể lớn cần đƣợc quét. Tuy nhiên, quá trình quét còn khá chậm do hàng triệu triệu chùm tia laser cần phải chạm tới hàng triệu điểm trên bền mặt vật thể.