Лазерный мир

Машинное зрение (computer vision) — это область искусственного интеллекта, которая изучает методы получения, обработки, анализа и понимания изображений и видеопотоков с помощью компьютерных алгоритмов. Системы машинного зрения позволяют БПЛА ориентироваться в пространстве, распознавать объекты, осуществлять посадку и многое другое.

Машинное зрение включает в себя следующие основные компоненты:

— Сенсоры получения изображений (камеры, сканеры, датчики глубины и др.)

— Аппаратное обеспечение для захвата и предварительной обработки данных (кадровые грабберы, процессоры обработки изображений)

— Программные алгоритмы обработки изображений (выделение контуров, сегментация, распознавание и др.)

— Методы компьютерного зрения для анализа сцен и распознавания объектов (классификаторы, нейросети и др.)

— Программное обеспечение и библиотеки компьютерного зрения (OpenCV, SimpleCV и др.)

— Математическое и алгоритмическое обеспечение (математическая статистика, геометрические преобразования, нейронные сети и др.)

Таким образом, машинное зрение — это междисциплинарная область, включающая аппаратные и программные средства для получения, обработки и анализа визуальных данных.

В беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) для реализации функций машинного зрения обычно используются следующие компоненты:

— Видеокамеры — для получения видеопотока в видимом или инфракрасном диапазоне. Используются обычные или специализированные камеры.

— Микроконтроллер — выполняет предварительную обработку изображений, выделение признаков, распознавание образов.

— Процессоры обработки изображений — специализированные процессоры для ускорения алгоритмов компьютерного зрения.

— Бортовой компьютер — для реализации сложных алгоритмов компьютерного зрения на базе нейросетей или традиционных методов.

— ПО компьютерного зрения — библиотеки OpenCV, PX4, ArduPilot и др.

— Датчики (GPS, IMU, лидары, датчики высоты и др.) — дополнительные данные для систем компьютерного зрения.

— Связь и телеметрия — для передачи видеопотока и данных на наземный центр управления.

В БПЛА так же, для реализации функций машинного зрения помимо видеокамер могут использоваться следующие датчики:

— GPS — определение местоположения БПЛА, синхронизация с видеопотоком.

— IMU (инерциальный измерительный блок) — измерение ускорения и ориентации, помогает определить положение камеры.

— Высотомер — измерение текущей высоты полёта над поверхностью.

— Лидар — (лидар, лазерный радар) для построения 3D модели окружающего пространства, обнаружения препятствий. Это устройства, использующие лазер для построения трехмерной модели окружающего пространства и обнаружения объектов. Применительно к БПЛА лидары используются для следующих целей:

— Построение карты местности — лидар создает подробную 3D-модель рельефа, растительности, объектов, которая используется для навигации БПЛА.

— Обнаружение и облет препятствий — лидар позволяет в режиме реального времени выявлять препятствия и корректировать траекторию полета для их обхода.

— Оценка расстояния до поверхности — данные лидара используются в алгоритмах посадки БПЛА для точного расчета высоты.

— Инспекция объектов — с помощью лидара можно производить подробное 3D-сканирование различных объектов и конструкций.

— Навигация в условиях плохой видимости — в отличие от камер, лидары могут работать в пыли, тумане, при плохом освещении.

Наиболее распространены лазерные лидары, реже используются радарные.

Лидар (от английского «Light Detection and Ranging») — это система дистанционного зондирования, которая использует лазерный свет для измерения расстояний и создания точных трехмерных карт окружающей среды.

Принцип работы лидара основан на эффекте отражения лазерного излучения от объектов и измерении времени, требующегося для возвращения отраженного сигнала. Вот основные принципы устройства лидаров:

1.Источник света: Лидар оснащен лазером, который излучает короткие и интенсивные импульсы лазерного света в видимом или инфракрасном спектре. В зависимости от приложения могут использоваться разные типы лазеров, такие как диодные лазеры, Nd:YAG лазеры и т.д.

2. Отправка лазерного излучения: Лазерное излучение направляется в определенном направлении к объектам, которые необходимо измерить или сканировать.

3. Приемник: Лидар также включает в себя приемный прибор (фотодетектор), который регистрирует отраженные лазерные сигналы.

4. Измерение времени полета: Когда лазерный луч попадает на объект, он отражается от него и возвращается обратно к приемнику. Лидар измеряет время, которое требуется для этого кругового путешествия лазерного излучения.

5. Вычисление расстояния: Расстояние до объекта рассчитывается путем умножения времени полета на скорость света и деления на два, так как лазерное излучение должно пройти путь до объекта и обратно. Формула: Расстояние = (Время полета x Скорость света) / 2.

6. Сканирование: Для создания трехмерной карты окружающей среды лидар сканирует окружающую среду, измеряя расстояние до объектов в разных направлениях. Это может быть достигнуто путем поворота лазерного излучения или зеркала, или с помощью нескольких лазеров и приемников.

7. Обработка данных: Измеренные расстояния и углы сканирования обрабатываются компьютером, чтобы создать точную трехмерную карту объектов и поверхностей.

Лидары широко используются в автономных автомобилях, беспилотных летательных аппаратах, геодезии, геологии, лесном хозяйстве, археологии, метеорологии и других областях, где требуется точное измерение расстояний и создание трехмерных моделей окружающей среды.

ToF камеры (time-of-flight) — камеры времени пролёта, создают 3D изображение сцены. Это устройства, позволяющие получать трехмерные изображения за счет измерения времени полета отраженного от объектов светового импульса.

Принцип работы ToF камер:

— Камера имеет источник света (лазер или светодиод), который генерирует короткие световые импульсы.

— Этот свет отражается от объектов и возвращается обратно в камеру.

— Датчик камеры измеряет время между выходом импульса и возвращением отраженного сигнала.

— По этому времени рассчитывается расстояние до объекта.

— Так как измерения проводятся для каждого пикселя, формируется трехмерное изображение сцены.

— ToF камеры работают на расстояниях от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров.

— Используются в робототехнике, системах безопасности, 3D-сканировании и других областях.

Преимущества ToF камер — компактность, высокая скорость получения 3D-изображений, работа при любом освещении. Недостаток — невысокое разрешение по сравнению с другими 3D-технологиями.

Опубликовано на https://electrobattery.ru/blog/mashinnoe-zrenie-v-bpla/