dzulfahmi bachelor thesis

22 卒業論文

形

ン照合

目的

多角形認識

自

走行

応用

Polygon recognition algorithm for the purpose of image pattern matching and its application to autonomous mobile robot

群馬大学

学部情報

学科

知識情報

学講

第一研究室

学籍番号：

07307911

氏

：

DZULFAHMI

i

目

第

1

章

第

2

章

ン

2.1

2010

ン

2.2

2.3

遉

課題

2.4

走行

MG10

第

3

章

多角形認識

3.1

自動

認識

3.2

輪郭検

角形認識

処理手

3.3

各処理

詳細

容

第

4

章

実験

結果

4.1

実験結果

4.2

角形

心

自己

置情報推定

4.3

例外発生

4.4

応用

第

5

章

結論

5.1

5.2

課題

謝辞

第

1

章

近 技術 発展 存 産業 場 々一般社会 中

活躍 い 生産 程 現場 い細 い作業 厳 い環境

作業 能 護 福祉 使用 う

高齢 社会 技術 展開 変わ 能性 あ

高 知能 開発 視覚 触覚 力覚 聴覚 外界

認識 必要 視覚 環境認識能力 高知能

あ 視覚機能 環境 中 対象物 情報 手段 あ

対象物あ い 作業目的 要求 機能 異

一般社会 人間 共存 場合 最 求

環境 い 周 害 え い いう 周 安全性 あ

自 移動 現 い いう自己 置推定 要 あ

走行経路 目 ン 置い ン

検 目的地 誘 手法 考え 本研究 点 注目

目 あ い ン 部 中心 自 走行 自

己 置推定 研究活動 行う

本 研 究 目 標 遉 自 移 動 実 証 実 験 大 会

ン 場 走行経路 完走 目指

． ン

第

2

章

ン

2.1

2010

ン

ン 人々 生活 い 空間 中 自 的 行動

技術 追求 目的 実世界 ン (The Real Robot Challenge) あ [1]

ン 場 速 競 共通 課題

持 安全 確実 動 作 ン 目的

あ

2010 11 18 19 開催 ン 第4回目

大会 多 大学や研究機関 企業 技術者 参

群馬大学 株 共 大会 場 2回目 参 選

本番 一部 約240m 走行 突破

走行 95m いう記録 残

大会 群馬大学 一丸 参 課題遉 狙う 試

A B C D

E

F

G

H

2． ン 2010

2.2

ン 2010 記 示 移動 外部 一 操

作 中央公園 側 ン 地点

公園周辺 遊 遈 自 的 走行 必要 あ 約1.1km わ

着 付近 ン ョン ン 自動 通

中 入 完走 いう

A = 地点

D = 選 地点

H = 本走行 地点

A H

G

F E D C

3．MG10 詳細部

2.3

遉

課題

2010 特徴的 課題 狭い公園 林間 公園通 広い遊 遈

場所 安全確保 目的 一 停 求 場所 設定 い 一 停

地点 2010 追記課題 あ 自 的 決 箇所 一時的 停

必要 あ うえ 安全 確保 走行再開 指示

待

開発 実験 い 入 点 戻 必要 あ

区間 距 約700m あ 走行 考え 限 自 走行

移動 望 い

2.4

走行

MG10

本研究 実証実験 使用 称 MG10 あ 詳細部

3 示

MG10 車輪回転 ン 計算 補 ン

1 使用 認識 いう 対 画像

いう 多 情報 い 効 あ 手前 存

害物 距 計算 LRF (Laser Range Finder) 入 LRF 広範

周 情報 得 来 周 形状等 認識 自己 置情報 補

来 いう長所 あ

非常停

車輪回転 ン

駆動 操舵機構

LRF

(Laser Range Finder)

ソ ン

従動輪

ン ョン

4．走行 MG10

5．



本研究 ン ン 示 あ 入力

画像 得 様々 画像処理 実験 行う

MG10

50 cm x 115 cm x 70 cm (W x L x H)

36.2 kg

駆動形式 前輪駆動

差動式操舵 制御系

ンPC Atom 330 1.6 GHz

PC Atom 280 1.6 GHz

車両 ン SH2E 80MHz

ン 系

TD-BD-SCAMv2

OPT. ン

LRF

ン 1/42 型富士 社製CCD ン 効画素数648(W) x 486 (V) x 2 画像 1280 x 480 ( 右含 )

最大30fps(認識処理含 )

ン 水 画角91゜

6． ン ン ョン 7．自動

8． 角形 注意

第

3

章

多角形認識

3.1

自動

認識

ン 2010 課題 中 筆者 付近 誘 方法 う

課題 え

示 う ン 2010 付近

ン ン ョン 自動 通 中 入 必要 あ

自動 周辺 得 画像 特徴 照合 行 い い 自己 置

認識 い

自動 特徴 ン 存 記 示 う

自動 特徴 持 角形 注意 あ 認識

10．雑音 あ 画像

9．元画像

3.2

輪郭検

角形認識

処理手

本研究 認識目的 多角形 角形 あ 改 意識 記 処理手

従 実験 行

A) 除去

B) 値画像 輪郭検 C) 輪郭 状 検査

D) 多角形 近似処理 E) 認識目的 追 条件

結果 画像 検 角形 置情報 得 角形 心

置 進 方向 測

3.3

各処理

詳細

容

以 各処理手 詳細 容 示

A) 除去

雑音 いう言葉 何 目的 あ 邪魔

総称 使わ 言葉 あ 画像処理 い 具体的 例

いえ ン 調子 悪い 画像 乱 見え

う 状態 ”画像 ” いう 画像 類 ひ 目的

画像 うひ 目的画像

邪魔物 乗 あ う 邪魔物 画像 雑音

いう

※ 写真 見 ン 粒状性 場所 大 時間的 ン 雑音

あ

11．Gaussian 5x5

性質 除去 方法 変わ 本実験 画像 輪郭

抽 主 処理 限 除去 方法 い 保存

雑音 除 強調 大 あ

除去 ン 解 Gaussian pyramid decomposition 入 細 い処理 詳細方法

ン ン ン down sampling ン ン up sampling あ i. ン ン ン down sampling

処理 ン 解 1 あ 入力画像

ン ( 5 x 5 ) 畳 込 処理 行う

ン 関数 利用 画像 除去

ン あ 数式 記 :

σ 大 周波領域 強調 結果 画像 や

感 様子 結果 確認

12．元画

15．σ=10 14．σ=2

13.σ=1

16． ン

処理 ン 実行

画素 ン ン 縦横 ひ

置 偶数行 偶数列 間引

ン ン ン 行う 得 結果画

像 大 縦横 半

ン ン 画素 周 画

素 色 関数 従 味

あ 程 周 画素 影響

性質 利用 通常

ン 補間 発生 ン 抑え

( ン 英: Aliasing 異 連続画素 標本 区別

いう )

ii. ン ン up sampling

処理 記 原理 持 い 入力画像 0 行 列 挿入

ン ン 行う 補間 4倍 ン

5 x 5 畳 込 行う 力画像 入力画像 4倍 大

実 ン ン ン ン ン 得 画像

示

17．元画像

18． ン ン

ン 画像

19． ン

20．注目画素

B) 値画像 輪郭検

輪郭 画像 濃 や色 急峻 変 部 示 画

像 存 物体 物体 あ い 物体 背景 境目 検 処理 多角形認識

い 要 処理 あ

B.1) 輪郭検

輪郭 検 様々 手法 あ 実験 行 通常1 微 勾

配 計算 強 計算 勾配 方向 局所的方向

測 方向 勾配 局所的 極大 箇所 探

 1 微 ン

明 局所的 変 あ 明 画像 あ ン 断面 微 求 画像 散値 集合 表 微 厳密 計算 微 近似 計算 実 実験 行 処理 う 述 注目画素 右 画 素 近傍 右 斜 隣接 画素 近傍 差 足 合わ 方法 入 隣接 画素 う 付 得 差 結果 異 付 行列 形 表現 いう 入力 画像 変換処理 行い 各画

素 強 計算 Sobel 用い 記 計算 実行

注目画素Ａ(i, j) 近傍

(i-1, j-1) (i, j-1) (i+1, j-1) (i-1, j) (i, j) (i+1, j) (i-1, j+1) (i, j+1) (i+1, j+1)

x方向 y方向 微 対応 Sobel

以 式 輪郭 強 p 方向θ 計算

-1 0 1

-2 0 2

-1 0 1

-1 -2 -1

0 0 0

1 2 1

� �

21．元画像 22

．輪郭検 結果

23．元画像 24．輪郭検 結果

記 処理 基 い 結果画像 得 ：

B.2) 細線

述 方法 用い 得 輪郭 い 確 認識制 得

検 輪郭 幅 画素 線 必要 あ

細線 太 い 輪郭線 一 太 線 幅 画素 整え 処理

閾値処理 行 値画像 行う 太い輪郭線 外側 削 い 画素

太 処理 終了

画像 除去 点 方向 走査 行い 以 条件 あ

0(白) あ 注目画素 1(黒) 転

注意：実験 注目画素 白 背景 黒 あ

(i) 境界条件

⇒注目画素 4-近傍 1 黒 画素 1 以 存

注目画素 領域 周 画素 あ 条件 いう 述 画素

(ii) 連結性条件

⇒注目画素 4-連結数 1 あ

条件 目的 幅 1画素 線 除去 い 残 幅1

画素 線 以 削 線 断 う あ

4-連結数 計算方法 以 示

対象画素 � (i, j) 1 右 画素 � 時計回 x , x , x , x , x , x , x

� (i-1, j-1) � (i, j-1) � (i+1, j-1) � (i-1, j) � (i, j) � (i+1, j) � (i-1, j+1) � (i, j+1) � (i+1, j+1)

4-連結 場合 連結数

� = {1, 3, 5, 7}

結果 1 画素 条件 満 画素

(iii)非端点条件

対象画素 8-近傍 0 白 画素 3 以 存

条件 目的 幅 1画素 線 端 削 い う あ

記 3 条件 い 目 (i) 境界条件 全 近傍 走査開始前 値

利用 目(ii)連結性条件 目(iii)非端点条件 走査 値 用い 走

査終了 時点 除去 画素 終了 検 処理 終え 画

像 細線 以 う

�

�

= {

�

−

�

�+

�+

}

25．細線 結果

26．細線 結果

27．検査対象 画像

C) 輪郭 状 検査

検 輪郭 幅 1画素 線 変換 閾値 2

値画像 得 示 う 細線 処理 得 線 群 途中

線 形 力 う場合 あ

a, b, c う 線 本来 多角形認識処理 望 い線 あ 画像

水 垂直 斜 線 情報 限 効率的 処理手 展開

望 いa, b, c う 線 省略 必要 あ b

a _c

a = 途中 線 b = 線 c = 線

線 本 研 究 多 角 形

認 識 い 必 要 い 線

 Check Contour Convexity

入力 画像 輪郭 う 調 主 処理

対象 輪郭 標点 ン 輪郭 点 情報 配列 追

Check Contour Convexity関数 渡 処理 実行 開催 輪

郭 状 検査 行う

示 う 途中 線 線 形 持

線 対象外 直線 性質 持 水 垂直 斜 線 情報

保存 従 Check Contour Convexity処理 結果 画像 直線

情報 得 以外 形 処理時間 短 考

え

注意：輪郭 自己交差 い う 単純 あ 望 い

D) 多角形 近似処理

状検査 得 直線群 確 検 行う 記 処理 別

1.) Find Contours

実 Find Contours 処理 行う 記 ョン 説明

 緑 枠 い 輪郭 注目 拡大 う 見え

記 示 う 検 直線群 ひ 置情報

保持 輪郭 検 場合 NULL 返

 線 情報 保持 追

手 OpenCV 抽 CV_RETR_LIST いう 相当

 水 垂直 斜 線 縮 端点 保管

保持 連結 持 線 一本 線 縮

両端 標 得 各端点 情報 保管 処理 OpenCV CV_CHAIN_APPROX_SIMPLE いう 相当

2.) Approx Poly

以前 処理 得 端点 情報 利用 指定 精 (ε) 多角形 近似

近似処理 Douglas-Peucker [6] 入

 Douglas-Peucker

Douglas-Peucker 地理情報 (Geographic

Information System) い 標準的 用い い 方法 あ 統

計 析 地 広 用い い

複数 点 間引 近似曲線

一定距 元 多角形 構 点 全 場合

追

一本 線 注目

(x,y)

(x,y)

終了 , 最終的 近似曲線 決定 [7] 記 多角形 近似処理 行い 最終的 多角形 決定 結果 画像 存 認識目的 多角形 検 緑枠 ． 始 点 終 点 近 似 曲 線 引 各頂点 近似曲線 距 垂 線 距 計算 ン 場合 始点 終点 前 点 近似曲線 引 注意：全 点 い 近似曲線 距 ε 終了 ． 精 ε 大 近似曲線 最 距 あ 点 ｎ番目 近似曲線 引 ． 始点 ｎ番目 点 ｎ番目 点 終点 近似曲線 引

い 手 1＆2 様 近

28．誤解認識 常認識

E) 認識目的 追 条件

処理 認識目的 従 実装 自 あ 本研究 実験

角形 認識目的 角形 性質 基 い 実装 い

 角

性質的 一番望 い 角 形 角形 近い形 持 輪郭 検 い

条件 角 � 6⁄ �⁄ あ 前 あ

条件 必要性：

誤解 認識 防 角 制限 必要 あ 記 う 本来認識

い 角 角形 近い

�

6 ≤ tan− � ≤ �

tan � = � − �_{+ � �}

第

4

章

実験

結果

4.1

実験結果

以 処理手 実験 行 結果 示 う 角形 認識

認識 角形 置情報(画像 標) 得 認

識 角形 緑 枠 各 い 付

種類 認識対象( 四角形 形 角形) 存

実行 結果 角形 認識 認識対目的 い多角形 無視

元画像

認識 角形

各 標

元画像

画像 あ 多角形 対

実 ン 付近 画像 撮影 実験 性能 検

証 行 示 う 自動 あ 角形 認識

認識

認識

認識

群馬大学情報棟 号館

あ 自動 画像 あ

自動 距 自動

4.2

角形

心

自己

置情報推定

示 う 画像中央部 角形 心 い い 計算

角 基 進 方向 測

本番 本研究処理 検証地点 以 示

う 付近 建物 主 風景 あ 特徴 い 自己 置

認識用 画像 使用 い場所 自己 置 認識 い 本研究 方法 用

い 特 付近 誘 考え

検証時 以 示 う 例外 発生

θ(

角

)

わ

！

4.3

例外発生

本研究 実験 行 例外 発生 わ 示 う

角形 認識 右 角形 認識失敗

考え 原因 右側 角形 隣 合う画像(右 部 ) 自動 射

空 強い 輪郭 検 う わ

実 値 画像 輪郭 状態 示

輪郭 検 う 途中 角形 線 従

い 連結 持 線 画 状検査処理 手 C 右側 角

輪郭検 う

形 無視 結果 認識 いう わ

対策 細線 処理 実行 閾値 調整 具合

良い線 情報 得 期待

4.4

応用

本研究 多角形認識 応用 適用 考え 特 交通機関

29．群馬大学 走行

第

5

章

結論

5.1

以 う 形 ン照合 目的 多角形認識 画像

あ 物体 輪郭 認識目的 形状 角形 類似 ン 確認

5.2

課題

付近 あ 自動 射 認識対象 輪郭 う

いう例外 発生 実 本番 方法 用い 走行実験 行 う

時間 関係 来 ン 方法 用い 安定

走行 行 え う 季節 環境 変 含 方法 使

え 場所 前 確認 方法 用い 実 走行

実験 十 目指

本研究 利用 画像 画質 高い い画像 安定性

謝辞

本研究 い 株式会社 共 研究 あ MG10 製作や開発 あ

貴 体験 い い 礼申

本研究室教授 太 先生 大変 世話 研究 方や問題点 見 方 卒業

研究 指 教員 多 指 い 感謝い 来 4

修士課程 進学 先生 指摘 指 願いい

株式会社 研究室 塩谷敏昭氏 ン い

数多 い 忙 い中 本研究 全般 わ

意見や細 指 い 感謝申

研究室 修士課程1 悠太 角 勇樹 画像処理 実験や

操作 説明 い 感謝い 級生 4 浩之

ン 走行実験 い い 手伝 い 感謝い

知識情報第一研究室 皆様 卒業発表会 練習 い 意見や 指摘

参考文献

[1] 油 信一 : ン 2010 実世界 働 目指 :

ン 2010 開催記念 ン 参 集, pp.1-5, 2011

[2] 社 版局 井 誠喜 Ｃ言語 学ぶ実践画像処理

[3] Dictionary of COMPUTER VISION and IMAGE PROCESSING, p.191

[4] 社 版局 村秀行 編著 ン ュ 画像処理

[5] 毎 ュ ョン 版局 奈良先端科学技術大学院大学 OpenCV

ン 製作 OpenCV ン

[6] David H. Douglas and Thomas K. Peucker (1973), Algorithms for the reduction

of the number of points required to represent a digitized line or its caricature,

The Canadian Cartographer 10

[7] 井拓也(2006), 動的 画点数 考慮 非 期数値地 表示 設計

実装, 島根大学 総合理 学部 数理･情報 学科 卒業論

[8] 坂口 隼, 理論 基 複体 画点数 減 検討, 島根大学 総合理 学部

数理･情報 学科

[9] 財 団 法 人 ュ 振 興 財 団: ン Real World Robot

Challenge (2010) http://www.ntf.or.jp/challenge/challenge10/index.html

：

形 ン照合 目的 多角形認識 自 走行 応用

Polygon recognition algorithm for the purpose of image pattern matching and its application to autonomous mobile robot

概要：

画像認識 様々 状況 必要 形 ン 照合 行う 本研究 多角形

認識 用い 考案 実験 画像 あ

物体 輪郭 認識目的 形状 類似 計算 形 認識

自 型走行 大会 ン 環境認識 適用

例 述 付近 自動 あ 特徴的 形状

角形 認識 誘