混合式光流估測法則及其在即時避碰之應用

Abstract

這篇論文發展了一個以混合式光流估測法則為基礎之導盲機人即時影像避障系統。本系統之主要目的在幫助盲人或有視覺傷害的人，能安全的繞過障礙物或突然出現的物體，而到達他想要去的地方。本文提出一個改良的光流估測法則，使之能夠更具即時性。混合式光流估測法則主要是以關聯性光流估測法之原理，影像強度梯度為圖樣特徵，進行關聯性比對，並且以微分光流估測法的明亮性限制作為搜尋區域，因此可以大量減少計算量及錯誤產生的機會。利用混合式光流估測的結果可以產生安全分布直方圖，以作為即時避障法則之參考。本文藉由測試及實驗的結果，來驗證我們設計的可行性。

In this thesis we developed a real-time obstacle avoidance system for a guide robot based on a mixed optical flow estimation. The purpose is to help blind or visually impaired pedestrians to navigate safely among obstacles. We first improved the performance of conventional optical flow estimation methods in order to obtain real-time obstacle avoidance behavior. A new optical flow estimation algorithm is proposed. It combines the correlation-based principle and pattern matching techniques using image intensity gradients. Using brightness constraint as searching area, we greatly decrease the complexity of computation and in the mean time reduce the possibility of errors. We generate a safety-distribution histogram using the results of optical flow estimation and use it for real-time obstacle avoidance. The effectiveness of the proposed method is demonstrated by a series of tests and experiments. 英文摘要 ………………………………………………………………………… ii 誌謝 ……………………………………………………………………………… iii 目錄 ……………………………………………………………………………… iv 表格 ……………………………………………………………………………… vi 圖例 ……………………………………………………………………………… vii 第一章 緒論 …………………………………………………………………… 1 1.1 導盲機器之背景介紹 …………………………………………………… 1 1.2 影像避碰之背景介紹 ……………………………………………………… 3 1.3 研究動機與問題描述 ……………………………………………………… 4 1.4 章節說明…………………………………………………………………… 5 第二章 導盲機器人的設計 ………………………………………………… 6 2.1 機構的設計 ……………………………………………………………… 6 2.2 控制系統架構 …………………………………………………………… 15 2.3 馬達控制卡 ……………………………………………………………… 17 2.3.1 解碼電路 …………………………………………………………… 17 2.3.2 馬達控制驅動電路 ………………………………………………… 19 2.3.3 讀/寫訊號產生電路 ………………………………………………… 21 2.3.4 軸編碼器計數值讀取電路 ………………………………………… 22 2.4 感測器的使用及介面設計 ………………………………………………… 23 2.5 人機介面的設計 …………………………………………………………… 25 第三章 混合式光流估測法則的設計 ……………………………………………… 28 3.1 光流估測法則的介紹 ……………………………………………………… 28 3.1.1 運動感知與光流 …………………………………………………… 28 3.1.2 光流估測法則 ……………………………………………………… 30 3.2 設計動機 ………………………………………………………………… 35 3.3 原理說明 …………………………………………………………………… 36 3.4 步驟與方法 ………………………………………………………………… 38 第四章 基於光流估測之避障法則設計 ……………………………………………… 44 4.1 場景深度的計算 …………………………………………………………… 44 4.2 安全分布直方圖的計算 …………………………………………………… 48 4.3 避碰法則的設計 …………………………………………………………… 51 4.3.1 影像擷取及前置處理 ……………………………………………… 51 4.3.2 避碰法則 …………………………………………………………… 52 第五章 測試及實驗結果 ……………………………………………………………… 56 5.1 人工合成影像之光流估測 …………………………………………………… 56 5.2 場景深度及安全分布直方圖的實測 ………………………………………… 63 5.3 即時閃避障礙物實驗結果 …………………………………………………… 68 第六章 結論與未來展望 ……………………………………………………………… 74 6.1 結論 …………………………………………………………………………… 74 6.2 未來展望 ……………………………………………………………………… 74 參考文獻 ………………………………………………………………………………… 76 附錄 A 導盲機器人手杖握把之原始設計 …………………………………………… A-1 附錄 B 導盲機器人電路設計圖 ……………………………………………………… B-1