2.2.676 Theo lý thuyết trong quá trình xác định độ sâu, khoảng cách từ thiết bị đến
đối tượng đo ảnh hưởng đến kết quả đo theo hai cách. Đầu tiên, vì cường độ ánh sáng tỷ lệ nghịch với khoảng cách bình phương nên khoảng cách càng xa thì càng ít photon quay trở lại cảm biến hình ảnh. Thứ hai, do sự khác biệt giữa tín hiệu điều chế thực tế và mô hình lý tưởng hóa được sử dụng trong các tính toán, một khoảng cách bù hệ thống được gọi là sai số chu kỳ được thực hiện.
Các thí nghiệm trong phần này nhằm xác định độ lệch giữa khoảng cách tham chiếu và khoảng cách đo được cũng như ảnh hưởng của cường độ ánh sáng như là các hàm số của khoảng cách tham chiếu.
2.2.1. Mô tả thí nghiệm
2.2.677 Tiếp tục với cấu hình của thí nghiệm trước đó, tất cả các thông số
ngoại trừ
khoảng cách được giữ không đổi. Tường phòng làm việc vẫn được sử dụng là đối tượng nghiên cứu. Giá đỡ Kinect v2 đã được minh họa trong hình 2.1 có bốn bánh xe để dễ di chuyển. Theo kết quả thu được của các thí nghiệm trong mục
2.1, thiết bị Kinect sẽ được khỏi động trước một giờ đồng hồ và hoạt động liên
tục trong toàn bộ quá trình đo.
2.2.678 Căn cứ vào thông số kỹ thuật ỏ bảng 1.4, phạm vi khoảng cách được
chọn để
thí nghiệm từ 0,6m đến 3m. Mỗi vị trí khảo sát cách nhau một khoảng 20cm. Sơ đồ đo được minh họa trong hình 2.10. Mỗi lần khi thiết bị được di chuyển đến điểm tiếp theo, khoảng cách d1 và d2 sẽ được xác định bằng máy đo khoảng cách laser cầm tay. Để đảm bảo đối tượng đo vuông góc với trục quang của thiết bị, các phép đo d1 và d2 được thực hiện từ mép ngoài của thiết bị Kinect v2. Vị trí của thiết bị được tinh chỉnh cho đến khi các phép đo khoảng cách tham chiếu từ cả hai phía nằm trong phạm vi ±1mm từ khoảng cách mong muốn. Sử dụng công thức lượng giác, có thể tính được góc giữa trục quang của thiết bị và pháp tuyến của đối tượng không quá 0, 2O.
2.2.679 Để hạn chế ảnh hưỏng của nhiễu, tại mỗi vị trí khảo sát, năm mươi khung
hình tĩnh sẽ được chụp trong ba giây. Việc thu nhận dữ liệu độ sâu sẽ được thực hiện trong vùng con llpixel X llpixel nhằm thu được kết quả ổn định hơn. Người thực hiện thí nghiệm đứng ỏ bàn gần đó để chạy phần mềm, chụp ảnh và lưu kết quả cho mỗi bước thí nghiệm.
2.2.680 2.2.681
2.2.682 Hình 2.10: Cấu hình thí nghiệm khoảng cách giữa Kinect v2 và đối tượng đo
2.2.2. Phương pháp thực hiện
2.2.683 Tại mỗi vị trí khảo sát, giá trị trung bình khoảng cách từ thiết bị đến đối
tượng đo sẽ được tính theo công thức 2.1. Sai số độ sâu Ad là một phần của phương trình quan sát độ sâu và được định nghĩa theo công thức
2.2.684 Ad = dtb - dtc
2.2.685 trong đó dtb là giá trị độ sâu trung bình của vùng con 11pixel X 11pixel và dtc
là khoảng cách tham chiếu.
2.2.686 Tiếp theo, cường độ ánh sáng liên quan đến khoảng cách được đánh
giá. Tuy
nhiên, độ lệch cường độ ở các khoảng cách khác nhau không thể so sánh được.
Do đó, hệ số biến thiên CV sẽ được sử dụng thay thế [10]. Hệ số này được định nghĩa là tỷ lệ của độ lệch chuẩn so với giá trị trung bình tại mỗi vị trí khảo sát và xác định bằng công thức
2.2.687 (2.4) 2.2.688 trong đó - là độ lệch chuẩn và p. là giá trị trung bình.
2.2.689 Thuật toán 2.2 là cơ sở để xây dựng chương trình con nhằm thu nhận thông
tin khoảng cách giữa Kinect v2 và đối tượng đo và được trình bày trong phụ lục 2.2. Quá trình xử lý thông tin và tính toán được thực hiện theo hai công
thức
2.3 và 2.4 và cũng được tiến hành thông qua chương trình máy tính viết bằng
mã Matlab.
2.2.690 Thuật toán 2.2 Thu nhận thông tin khoảng cách 2.2.691 INPUT : h1: Ảnh độ sâu
2.2.692 OUTPUT: pc: Khoảng cách từ Kinect v2 đến đối tượng đo 2.2.693 k2 = Kin2(color'' depth'); {Lấy ảnh độ sâu}
2.2.694 while True do 2.2.695 if i < 50 then
2.2.696 depth = k2.getDepth; {Cập nhật ảnh độ sâu sang ma trận Matlab}
for m ^ 1 to 11 do
2.2.697 for n ^ 1 to 11 do
2.2.698 tg = k2.mapDepthPoints2Camera([mn]');
2.2.699 end for{Độ sâu của các điểm trong vùng con 11pixel X 11pixel} 2.2.700 end for
2.2.701 pc = mean(tg); {Khoảng cách từ Kinect v2 đến đối tượng đo}
2.2.702 else
2.2.703 break; {Dừng chương trình}
(2.3)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1
2.2.704 end if 2.2.705 end while
2.2.3. Kết quả và đánh giá
2.2.706 Tại vị trí khoảng cách 0,6m của Kinect v2 so với tường, mặc dù theo công
bố của Microsoft, Kinect v2 có thể hoạt động từ 0,5m, các giá trị khoảng cách tương ứng với 50 khung hình đều không xác định được. Vì Kinect v2 chủ yếu hướng vào các ứng dụng game, các giá trị được Microsoft báo cáo có thể là giá trị gần đúng. Hơn nữa, các điểm ảnh chất lượng kém có thể được lọc một cách đáng tin cậy, bởi vì các giá trị khoảng cách bão hòa luôn bằng không. Chính vì vậy, khi xử lý thông tin sau thí nghiệm, giá trị khoảng cách khảo sát được tính bắt đầu từ 0,8m.
2.2.707 Kết quả ban đầu của thí nghiệm được hiển thị trong hình 2.11, trong đó các
giá trị khoảng cách đo được của từng vị trí được vẽ cùng khoảng cách tham chiếu. Cụ thể, giá trị khoảng cách đo được là trung bình cộng của năm mươi giá trị khoảng cách trên mỗi khung hình đo trong ba giây. Còn khoảng cách tham chiếu là giá trị d1 trong hình 2.10 cộng thêm khoảng cách từ mép ngoài thiết bị tới gốc tọa độ của hệ trục tọa độ máy ảnh đã minh họa trong hình 1.10.
2.2.708 Để xem xét kỹ hơn các kết quả, các sai số khoảng cách được tính toán theo
công thức 2.3 và được mô tả trong hình 2.12. Tính chất chu kỳ của sai số độ sâu hệ thống có thể thấy rõ trong đồ thị. Tuy nhiên xuất hiện một số dị thường ở khoảng cách dưới 2,5m, có thể do sai số trong khi đo các khoảng cách tham chiếu. Quá trình đo dễ bị lỗi, vì nó liên quan đến nhiều công việc thủ công và
2.2.709
2.2.710 Hình 2.11: Kết quả của thí nghiệm khoảng cách
2.2.711
2.2.712 Hình 2.12: Sai số phép đo khoảng cách từ Kinect v2 đến đối tượng đo
2.2.713 di chuyển thiết bị. Do mang tính hệ thống nên sai số chu kỳ có thể hiệu chỉnh
như đã trình bày trong chương 1. Tuy nhiên đường cong hiệu chỉnh phải được tính riêng cho từng điểm ảnh, vì chúng có các đáp ứng riêng lẻ.
2.2.714 Ngoài sai số khoảng cách hệ thống, phép đo của Kinect v2 còn có sai
số ngẫu
nhiên phụ thuộc vào khoảng cách. Độ chính xác của phép đo liên quan đến độ lệch của các điểm dữ liệu ở mỗi khoảng cách tham chiếu. Trong hình 2.13, độ lệch chuẩn tính toán của sai số khoảng cách cho năm mươi khung hình ở mỗi vị trí khảo sát được biểu diễn. Như có thể nhìn thấy từ biểu đồ, độ chính xác của phép đo giảm khi khoảng cách giữa thiết bị và đối tượng tăng, điều này được giải thích do tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu giảm, vì ít photon quay trở lại cảm biến từ các vật thể ở xa. Kinect hoạt động tốt nhất trong khoảng từ 0,8m đến 2,4m, với độ lệch chuẩn trong khoảng từ 0,4mm đến 0,6mm.
2.2.715 2.2.716
2.2.717 Hình 2.13: Độ lệch chuẩn của sai số khoảng cách
1.5 -
Ẹ E, 0.5 -
ổ -0.5 -
<
f -1 -
-1.5 - -2 - -2.5 —
0.5 1.5 2
Khoảng cách tham chiếu (m) 2.5
0.5 1.5
Khoảng cách tham chiếu (m)
2.5
2.2.718 Giá trị của hệ số biến thiên CV được đồ thị hóa trong hình 2.14. Như quan
sát trong hình vẽ, Kinect v2 dường như tuân theo luật bình phương nghịch đảo, tức là đối với một nguồn sáng điểm, cường độ ánh sáng tỷ lệ nghịch với bình phương của khoảng cách. Do đó, có thể kết luận rằng thiết bị sử dụng thời gian tích hợp không đổi.
2.2.719
2.2.720 Khoảng cách tham chiéu (m)
2.2.7212.2.722 Hình 2.14: Hệ số biến thiên của cường độ ánh sáng theo khoảng cách 2.2.723 Thông tin về mối tương quan giữa cường độ ánh sáng và độ chính xác khoảng
cách có thể được sử dụng để dự đoán độ tin cậy của phép đo sử dụng Kinect v2. Đối với các ứng dụng liên quan đến đối tượng động trong thời gian thực, việc sử dụng các giá trị CV là không thực tế do giá trị này được tính trung bình trên nhiều mẫu. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong luận án này chỉ tập trung vào việc tái tạo hình học bề mặt với đối tượng tĩnh nên kết quả thu được trong thực nghiệm phù hợp để nâng cao chất lượng trong các chương tiếp theo. Các khía cạnh thú vị khác sẽ là nghiên cứu cách thức hiệu chuẩn thiết bị, hoặc độ chính xác độ sâu sẽ thay đổi như thế nào với những điểm ảnh ở cách xa điểm cơ sở.