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Deteção e Segmentação de Alvos em Ambiente de Estrada usando LIDAR
Departamento de Engenharia Mecânica
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Julho 2013Dissertação de Mestrado
Orientador: Prof. Dr. Vítor SantosColaborador: Mestre Jorge Almeida
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Estrutura
LIDAR
Visão geral do Projeto
Processo de Segmentação
Conclusões e Trabalho Futuro
Enquadramento
Avaliação do Desempenho
Resultados Obtidos
Estrutura
2Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Enquadramento
• Seguimento de objetos móveis (Multiple Target Tracking):
• Aquisição.• Segmentação.• Associação.• Previsão do movimento.• Classificação automática de objetos.
3Julho 2013
• Segmentação.
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Enquadramento
Motivação
• Robótica móvel.• Sistemas de apoio à condução.• Planeamento de trajetórias.
• Aplicações de segurança.• Controlo de acessos.• Fluxos de movimentos (aeroportos, centros
comerciais).
4Julho 2013
Enquadramento
Objetivos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
• Avaliação comparativa, exaustiva e qualitativa de diferentes algoritmos de segmentação.
• Variação valor dos parâmetros.• Diferentes situações de estrada.
• Utilização de um Laser 2D.
5Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
LIDAR
Princípios de funcionamento
• Obtenção direta distancias aos obtáculos.
• Construção mapa 2D.
6Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
LIDAR
• Sick LMS111• 50 m alcance máximo.• 0.50° resolução angular.• 270° de ângulo de varrimento.
7Julho 2013
LIDAR
Problemas relacionados
• Zonas de oclusão.• Situações de proximidade.• Mudanças de forma.• Ruído do laser.• Refletividade.• Condições atmosféricas.• Grandes ângulos de incidência.• Vegetação.
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 8Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Visão geral do Projeto
9Julho 2013
Processo de Segmentação
Descrição do processo
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
• Transformar um conjunto de pontos/medições retornados pelo Laser em Segmentos.
• Má segmentação:• Sobre-segmentação.• Sub-segmentação.
10Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Algoritmos implementadosSegmentação Simples
Parâmetro variável: Distância de separação Dthd
11Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Dietmayer SegmentationAlgoritmos implementados
Dthd = C0+C1min{ri-1,ri}C1 = 2(1−𝑐𝑜𝑠Δ ) ∝
Parâmetro variável: Constante redução de ruído C0
12Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Santos ApproachAlgoritmos implementados
Parâmetros variáveis: Constante redução de rudido C0
Ângulo β
13Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Adaptive Breakpoint DetectorAlgoritmos implementados
𝐷 h𝑡 𝑑=𝑟 𝑖𝑠𝑖𝑛∆∝
sin( λ−∆∝)+𝜎𝑟
Parâmetro variável: Ângulo λ
14Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Adaptive Breakpoint DetectorAlgoritmos implementados
15Julho 2013
Processo de Segmentação
Spatial Nearest NeighbourAlgoritmos implementados
if ponto ainda não associado a um segmentoCalcula-se Deu a todos os pontos sem associação;if Deu < Dthd
Ponto pertence ao mesmo objeto;end ifIr para o próximo ponto sem associação e repetir o processo
até todos os pontos estarem associados a um segmento;end if
Parâmetro variável: Distância de separação Dthd
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 16Julho 2013
Processo de Segmentação
Spatial Nearest NeighbourAlgoritmos implementados
• Resolve parcialmente problemas de oclusão.
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 17Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Multivariable SegmentationAlgoritmos implementados
• Pares de medições.• Calculado vetor de atributos.• Semelhança dos vetores de medições.
Parâmetro variável: Semelhança de vetores.
18Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Processo de Segmentação
Algoritmos implementados
Multivariable Segmentation
Pi = [pi pi+1]Pi+1 = [pi+1 pi+2]
19Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Total: 867 scans:
• Linha reta: 413 scans (azul).• Aproximação à rotunda: 108
(verde).• Rotunda: 346 (vermelho).
20Julho 2013
Linha de vista 100 m
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Ground-truth
21Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Ground-truth
22Julho 2013
• Scans descartados
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Visualização
23Julho 2013
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Métricas de avaliaçãoAssociação de segmentos
24Julho 2013
Avaliação do desempenho
Métricas de avaliação
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Métrica A
25Julho 2013
• Energia• Função de custo
Avaliação do desempenho
Métricas de avaliaçãoDistâncias entre extremos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 26Julho 2013
Avaliação do desempenho
Métricas de avaliação
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Métrica B
27Julho 2013
• Energia• Função de custo
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Avaliação do desempenho
Métricas de avaliação
• 6 métricas foram desenvolvidas e aperfeiçoadas.• 4 não eram conclusivas.
Vantagens:
• Algoritmos avaliados de igual forma.• Penalizada a distância entre os segmentos.• Penalizada diferênça de tamanhos.• Penaliza situações de sobre e sub segmentação.
28Julho 2013
Métrica A – linha reta
Resultados obtidos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 29Julho 2013
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
2.79560.243
2.625 / 15.0 57.326
2.37554.362
0.5561.477
SNN – Linha reta – Métrica A SA – Linha reta – Métrica A
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Métrica B – linha reta
Resultados obtidos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 30Julho 2013
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
2.79589.941
2.750 / 15.089.982
2.50089.167
0.63493.745
SNN – Linha reta – Métrica B SS – Linha reta – Métrica B
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Métrica A – rotunda
Resultados obtidos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 31Julho 2013
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
1.71531.493
1.750 / 15.031.323
1.25033.278
0.88642.213
SA – Rotunda – Métrica A SS – Rotunda – Métrica A
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Métrica B – rotunda
Resultados obtidos
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
1.98543.906
1.750 / 15.0 42.839
1.87539.924
0.71846.159
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 32Julho 2013
SNN – Rotunda – Métrica B SA – Rotunda – Métrica B
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Resultados obtidos
Métrica A – percurso completo
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
2.79563.130
2.625 / 15.064.485
2.25055.883
0.57159.967
33Julho 2013
SNN – Completo – Métrica A MS – Completo – Métrica A
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Resultados obtidos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 34Julho 2013
Métrica B – percurso completo
SSDthd[m]
SAC0 / β[m / o]
SNNDthd[m]
MS
Valor ótimoEnergia
2.66071.269
2.625 / 15.071.782
2.25068.890
0,69774.961
SNN – Completo – Métrica B SS – Completo – Métrica B
Ener
gia
Méd
ia
Ener
gia
Méd
ia
#GT/
#ALG
#GT/
#ALG
Resultados obtidos
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva 35Julho 2013
Tempos de processamento
SS DS SA ABD SNN MS
2.426 2.193 2.070 2.045 2.692 3.902
• Tempo processamento 876 Scans; dado em segundos.• Valores meramente indicativos.
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Conclusões e trabalho futuro
• Os algoritmos propostos foram implementados com sucesso.
• Realizada comparação qualitativa da qualidade da Segmentação dos algortimos para diferentes cenários de estrada.
• SNN foi o algoritmo mais consistente nos diversos cenários.
• SA apresentou bons resultdos, uma combinação destes dois algoritmos pode resultar numa segmentação interessante.
• Como trabalho futuro poderá incidir sobre a segmentação de vegetação e numa segmentação combinada de Laser e visão artificial.
36Julho 2013
Julho 2013Dissertação de Mestrado
Daniel Torres Couto Coimbra e Silva
Deteção e Segmentação de Alvos em Ambiente de Estrada usando LIDAR
Departamento de Engenharia Mecânica
Orientador: Prof. Dr. Vítor SantosColaborador: Mestre Jorge Almeida