1) не устранять крайние точки;
2) не приводить к нарушению связности;
3) не вызывать чрезмерного размывания области.
В предыдущих двух разделах основное внимание уделялось методам сегментации и описания двумерных структур. В этом разделе мы рассмотрим эти задачи применительно к трехмерным данным сцены.
По существу зрение является трехмерной проблемой, поэтому в основе разработки многофункциональных систем технического зрения, пригодных для работы в различных средах, лежит процесс обработки информации о трехмерных сценах. Хотя исследования в этой области имеют более чем 10-летнюю историю, такие факторы, как стоимость, скорость и сложность, тормозят внедрение обработки трехмерной зрительной информации в промышленных приложениях.
Возможны три основные формы представления информации о трехмерной сцене. Если применяются датчики, измеряющие расстояние, то мы получаем координаты (х, у,z) точек поверхностей объектов. Применение устройств, создающих стереоизображение, дает трехмерные координаты, а также информацию об освещенности в каждой точке. В этом случае каждая точка представляется функциейf (х, у, z), где значения последней в точке с координатами (х, у, z) дают значения интенсивности в этой точке (для обозначения точки в трехмерном пространстве и ее интенсивности часто применяется термин вок сел). Наконец, можно установить трехмерные связи на основе одного двумерного образа сцены, т. е. можно выводить связи между объектами, такие, как «над», «за», «перед». Поскольку точное трехмерное расположение точек сцены обычно не может быть вычислено на основе одного изображения, связи, полученные с помощью этого вида анализа, иногда относятся к так называемой 2,5-мерной информации.
4.1.Описание трехмерной сцены плоскими участками
Один из наиболее простых подходов для сегментации и описания трехмерных структур с помощью координат точек (х,у, z) состоит в разбиении сцены на небольшие плоские«участки» с последующим их объединением в более крупные элементы поверхности в соответствии с некоторым критерием. Этот метод особенно удобен для идентификации многогранных объектов, поверхности которых достаточно гладкие относительно разрешающей способности.
Когда сцена задана вокселами, ее можно описать плоскими участками с помощью трехмерного градиента. В этом случае дескрипторы поверхности также получаются в результате объединения этих плоских участков. Вектор градиента указывает направление максимальной скорости изменения функции, а его величина соответствует величине этого изменения. Эти понятия применимы для трехмерного случая и также могут быть использованы для разбиения на сегменты трехмерных структур тем же способом, который применялся для двумерных данных.
4.3. Разметка линий и соединений
Итак, контуры в трехмерной сцене определяются разрывами в данных о координатах и/или интенсивности. После того как был определен набор поверхностей и контуров, располагающихся между ними, окончательное описание сцены может быть получено путем разметки линий, которые соответствуют контурам, и соединений, которые эти контуры образуют.
Выпуклая линия (помеченная +) образуется в результате пересечения двух поверхностей выпуклого тела (например, линия, образованная в результате пересечения двух сторон куба). Вогнутая линия (помеченная —) образуется в результате пересечения двух поверхностей, принадлежащих двум различным телам (например, пересечение стороны куба с полом). Скрытые линии (помеченные стрелками) представляют собой контуры невидимых поверхностей. Поверхности, закрывающие другие части объекта, располагаются справа направлении стрелок, а невидимые слева. После того как линии сцены дают ключ к пониманию природы трехмерных объектов сцены. Физические ограничения допускают лишь несколько возможных комбинаций меток линий в соединении. Например, сцена в виде многогранника не имеет линий, метки которых могут меняться между вершинами. Нарушение этого правила приводит к объектам, не имеющим физического смысла.
Обобщенным конусом (или цилиндром) называется поверхность, получаемая в результате перемещения плоского поперечного сечения вдоль произвольной пространственной кривой (хребта) под постоянным к ней углом, причем поперечное сечение преобразуется по правилу заметания объема. В техническом зрении метод обобщенных конусов независимо от других методов позволяет создавать образы трехмерных структур, что полезно при моделировании и для проверки соответствия построенных моделей исходным данным.
Распознаванием называется процесс разметки, т.е. алгоритмы распознавания идентифицируют каждый объект сцены и присваивают ему метки (гаечный ключ, перемычка). Обычно в большинстве промышленных систем технического зрения предполагается, что объекты сцены сегментированы как отдельные элементы. Другое общее ограничение относится к расположению устройств сбора информации относительно исследуемой сцены (обычно они располагаются перпендикулярно рабочей поверхности). Это приводит к уменьшению отклонений в характеристиках формы, а также упрощает процесс сегментации и описания в результате уменьшения вероятности загораживания одних объектов другими. Управление отклонениями в ориентации объекта производится путем выбора дескрипторов, инвариантных к вращению, или путем использования главных осей объекта для ориентирования его в предварительно определенном направлении.
Современные методы распознавания делятся на две основные категории: теоретические и структурные методы. Теоретические методы основываются на количественном описании (статическая структура), а в основе структурных методов лежат символические описания и их связи (последовательности направлений в границе, закодированной с помощью цепного кода).
Интерпретацию - процесс, который позволяет системе технического зрения приобрести более глубокие знания об окружающей среде по сравнению со знаниями, полученными с помощью методов, изложенных выше. Рассматриваемая с этой точки зрения интерпретация охватывает данные методы как неотъемлемую часть процесса понимания зрительной сцены. Хотя в области технического зрения она и является объектом активных исследований, достижения пока весьма незначительны. Ниже мы кратко рассмотрим проблемы, представляющие современные исследования в этой области технического зрения.
Мощность системы технического зрения определяется ее способностью выделять из сцены значимую информацию при различных условиях наблюдения и использовании минимальных знаний об объектах сцены. По ряду причин (неравномерное освещение, наличие тел, загораживающих объекты, геометрии наблюдения) этот тип обработки представляет трудную задачу. Много внимания уделено методам уменьшения разброса в интенсивности. Способы обратного и структурированного освещения позволяют устранить трудности, связанные с произвольным освещением рабочего пространства. К этим трудностям относятся теневые аффекты, усложняющие процесс определения контуров, и неоднородности на гладких поверхностях. Это часто Приводит к тому, что они распознаются как отдельные объекты. Очевидно, многие из этих проблем обусловлены тем, что относительно мало известно о моделировании свойств освещения и отражения трехмерных сцен. Методы разметки линий и соединений представляют собой некоторые попытки в этом направлении, но они не в состоянии количественно объяснить эффекты взаимодействия освещения и отражения. Более перспективный подход основан на математических моделях, описывающих наиболее важные связи между освещением, отражением и характеристиками поверхности, такими, как ориентация.
Проблема загораживания одних объектов другими имеет место, когда рассматривается большое число объектов в реальном рабочем пространстве. Даже если бы система была способна идеально выделить группу объектов из фона, то все ранее рассмотренные двумерные процедуры описания и распознавания дали бы плохой результат для большинства загороженных объектов. Применение трехмерных дескрипторов было бы более успешным, но даже они дали бы неполную информацию.