Chương 2 : TỔNG QUAN VỀ NGÔN NGỮ KÝ HIỆU
3.1 Nguyên lý hoạt động camera cảm biến chiều sâu
Thế giới vật lý xung quanh chúng ta là một khơng gian ba chiều. Vì thế các camera và cảm biến ảnh truyền thống chỉ thu được hình ảnh 2 chiều theo phương xy và bỏ qua thông tin về chiều sâu theo phương z. Đây là giới hạn rất lớn để có thể hiểu được đối tượng trong thế giới thực. Vì vậy để có thể nắm bắt được đối tượng cách đầy đủ thì các thơng tin của đối tượng theo cả ba phương x, y và z phải được thu nhận. Để có thể thu nhận được thông tin trong không gian ba chiều như thế, loại cảm biến được dùng là cảm biến chiều sâu. Cấu trúc của cảm biến chiều sâu gồm một camera Infra-Red (IR) và bộ phát xạ IR (IR emitter positioned). Giữa chúng có một khoảng cách cố định. Nguyên lý hoạt động của cảm biến chiều sâu là một mẫu phát xạ được định nghĩa bởi bộ phận phát xạ IR và hình ảnh thu được của nó được định dạng bởi một camera IR. Bộ phận xử lý so sánh mẫu gốc và hình ảnh phản hồi và xác định được biến đổi cơ bản giữa cả hai mẫu. [8]
Nguyên lý hoạt động của cảm biến chiều sâu dựa trên công nghệ ánh sáng cấu trúc (structured light). Tại mỗi điểm của đối tượng sẽ được biểu diễn theo 3 chiều xyz. Nếu bề mặt của đối tượng khơng phẳng, thì nó sẽ được mơ tả trong một khơng gian 3 chiều, và vấn đề xứ lý hình ảnh của nó được gọi là chụp ảnh bề mặt 3 chiều.
Kết quả thu được được xem như là một bản đồ chiều sâu theo phương z. Trong đó z là hàm vị trí theo xy trong hệ trục Decartes. Nó được diễn ta dưới dạng ma trận
{zij =(xi,yj,), i = 1,2,…,l, j=1,2,…m}.
Hệ thống chụp ảnh bề mặt 3 chiều có thể thu nhận được những giá trị vô hướng. Kết quả là một đám mây điểm {P = (xi,yi,zz,fi), i=1,2,…n}, trong đó, fi thể hiện giá trị tại điểm bề mặt thứ i trên dữ liệu thiết lập. Cách khác, một hình ảnh bề mặt có màu sắc được thể hiện bẳng {P = (xi,yi,zz,ri,gi,bi), i=1,2,…n}, trong đó véc tơ (ri,gi,bi) thể hiện màu đỏ, lục và màu lam tại điểm i trên bề mặt thứ. Một nguyên lý của phương pháp chụp ảnh bề mặt 3 chiều dựa trên ứng dụng ánh sáng cấu trúc.
Hình 3.1: Hoạt động của của camera chiều sâu
Trên hình 3.1 ánh sáng dùng để chiếu được cấu trúc cách đặc biệt được tạo ra bởi bộ phận phát xạ. Cường độ tại mỗi điểm ảnh trên mẫu ánh sáng cấu trúc được thể hiện bởi tính hệ số { iij = (i,j) , i = 1,2,…,i, j = 1,2,…j}. Trong đó (i, j) thể hiện toạ độ trục (x, y) trên mẫu được chiếu sáng.
Một cảm biến hình ảnh (chẳng hạn video camera) được dùng để thu nhận ảnh 2D của khung ảnh được chiếu sáng bởi ánh sáng cấu trúc. Nếu khung ảnh này là một bề mặt phẳng thì khơng có sự biến đổi trên bề mặt. Mẫu thu được đơn giản là mẫu được ánh sáng cấu trúc chiếu vào. Tuy nhiên, khi bề mặt của khung là mặt 3D, thì hình dạng của đối tượng sẽ làm biến dạng mẫu ánh sáng cấu trúc chiếu tới. Nguyên
lý thu ảnh 3D của bề mặt được chiếu ánh sáng dựa trên chính thông tin về sự biến dạng của mẫu ánh sáng cấu trúc được chiếu lên đối tượng. Bề mặt 3D chính xác của đối tượng trong khung chiếu có thể được tính tốn bởi thuật tốn và ngun lý của các biến ánh sáng cấu trúc.
Trong hình 3.1, mối quan hệ hình học giữa cảm biến ảnh, bộ phát ánh sáng cấu trúc và tại một điểm trên bề mặt đối tượng được được thể hiện bởi nguyên lý tam giác:
= sin ( )
sin ( + )
Điều chính yếu cho việc thu nhận ảnh 3D dựa trên nguyên lý tam giác là kỹ thuật được dùng để phân biệt một điểm sáng được chiếu từ ảnh thu được với mẫu chiếu 2D. Mơ hình tính tốn cơ bản của ngun lý tam giác được thể hiện ở hình 3.2.
Hình 3.2: Mơ hình tính tốn cơ bản của ngun lý tam giác
Trong đó:
Z0 là khoảng cách từ camera C đến mặt phặng tham chiếu. Zk là khoảng cách từ mặt kính camera đến đối tượng. b là khoảng cách giữa bộ phát xạ và camera; d là
(3.2)
Mặt phẳng tham chiếu Mặt phẳng đối tượng
Mặt phẳng ảnh
độ khác biệt. f là khoảng cách từ mặt phẳng ảnh đến mặt kính của camera, D kích thước chum sáng chiếu lên đối tượng. Toạ độ của điểm k được tính như sau:
= − = = 1 + = − ( − + ) = − ( − + )
Dữ liệu từ cảm biến chiều sâu cung cấp chuỗi thông tin về chiều sâu theo trục z. Dữ liệu chiều sâu được thể hiện như một khung ảnh được tạo bởi các điểm ảnh bao gồm khoảng cách tính bằng mm từ mặt phẳng camera đến đối tượng gần nhất được minh hoạ ở hình 3.3.
Hình 3.3: Dữ liệu chiều sâu được tính bằng khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng.
(3.3) (3.4) (3.5) (3.6) (3.7) Z1 Z2 Đối tượng Cảm biến