CC BY
4УДК 004.932
Шамышев А.А.
аспирант кафедры информационных систем и программной инженерии Владимирский государственный университет им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (г. Владимир, Россия)
ПРИМЕНИМОСТЬ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАЛЬНОГО РАЗМЕРА ОБЪЕКТА ПРИ РАСЧЁТЕ РАССТОЯНИЯ ДО ЭТОГО ОБЪЕКТА ДЛЯ СИСТЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ С ОДНИМ ОБЪЕКТИВОМ
Аннотация: в работе приведены результаты эксперимента, доказывающего применимость метода определения реального размера объекта на изображении при расчёте расстояния до этого объекта для систем компьютерного зрения с одним объективом.
Ключевые слова: компьютерное зрение, определение расстояния, компьютерное зрение, один объектив.
Современные системы компьютерного зрения предлагают множество алгоритмов и методов определения расстояния до объекта. Большинство из подобных методов опираются на использование специального оборудования, которые позволяет получить несколько изображений одной сцены с различных точек пространства, однако, это не всегда применимо в силу технических ограничений [1].
Отдельным блоком выделяются методы определения расстояния с использованием одной фотографии. Большинство из них основаны на обучении нейронных сетей, но отдельно хочется выделить метод определения реального размера объекта [2]. Этот метод состоит из следующих шагов: классификация объекта на изображении, определение реального размера объекта на основе заранее подготовленного справочника, определение размера объекта на
изображении, определение фокусного расстояния объектива камеры, расчёт расстояния до объекта по формуле (1)
и = f • (H + h)/H (1)
где u - расстояние до объекта, f - фокусное расстояние, H - размер объекта на изображении, h - реальный размер объекта.
С целью доказать или опровергнуть, что расстояние, рассчитанное по формуле (1) на реальных изображениях, имеет приемлемую погрешность и может быть использовано на практике был проведен эксперимент.
В эксперименте использовались цифровые фотографии, сделанные на камеру iPhone XR и конвертированные в формат JPEG с использованием утилиты командной строки ImageMagick версии 7.
При проведении эксперимента использовался следующий метод:
1. Фотографирование реальных объектов с параллельной записью фактического расстояние от сфотографированного объекта до объектива,
2. Ручная обработка фотографий с целью определения категории объектов на снимке, их фактический размер, а также количества пикселей, занимаемых объектом,
3. Ручной анализ метаданных изображения для получения различных параметров камеры с целью определения фокусного расстояния,
4. Расчёт расстояния до объекта на основе полученных данных,
5. Сравнение рассчитанных расстояний с фактическими расстояниями, записанными при фотографировании.
До проведения эксперимента были определены условия, не выполнение которых показало бы наличие ошибок при проведении эксперимента или интерпретации результатов:
1. Наличие корреляции между реальным и расчетным расстоянием до объекта (относительная погрешность менее 100% для всех измерений),
2. Одинаковые значения для фотографий одинаковых объектов, сделанных из одной точки (стандартное отклонение средней погрешности менее 10%).
Также до проведения эксперимента была определена шкала интерпретации значений относительной погрешности между реальным расстоянием и расчетным (таблица 1).
Таблица 1. Шкала интерпретация ожидаемой относительной погрешности.
Погрешность в процентах Интерпретация результата
0-10 Метод измерения точный и его можно использовать на практике
10-50 Метод измерения не точный, но его можно использовать на практике
50-70 Метод измерения НЕ точный, перед использованием его на практике требуется тщательный анализ
70-100 Метод измерения НЕ точный, использование его на практике не представляет практической ценности
В ходе проведения эксперимента было сделано 282 фотографии. Для каждой фотографии было записано расстояние до объекта. Каждую фотографию можно отнести к одной из 28 групп (группа фотографий - съемка одного и того же объекта из одной точки). Каждая фотография была обработана вручную и для каждой из них были определены следующие параметры: категория объекта на снимке, реальный размер объекта на снимке, количество пикселей, занимаемых объектом на изображении.
Для вычисления расстояния до объекта по формуле необходимо определить фокусное расстояние и размер объекта на изображении. После анализа метаданных изображений, выполненных с помощью 1РИопе ХК Было выяснено следующее: в метаданных присутствует информация о фокусном расстоянии, но отсутствует расширение матрицы камеры, что не позволяет напрямую перевести количество занимаемых объектом пикселей в размер объекта на фотографии.
С другой стороны, в метаданных присутствует информация об эквивалентном фокусном расстоянии для пленки размером 24*36 мм, что позволяет использовать формулу (1), если в качестве фокусного расстояния взять эквивалентное фокусное расстояние, расширения матрицы взять 24*36 мм.
После проведения эксперимента данные были обработаны и получены следующие результаты: стандартное отклонение средней погрешности расстояния по группам (рисунок 1), относительная погрешность расстояния (рисунок 2).
0,06 | 0,05 | 0,04
0 0,03
1
§ 0,02 ¿3 0,01 о
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
Номер группы
Рис. 1. Стандартное отклонение средней погрешности расстояния по группам.
Номер изображения
Рис. 2. Относительная погрешность рассчитанного расстояния.
Из рисунка 2 видно наличие корреляции между реальным и расчетным расстоянием до объекта, т.к. относительная погрешность менее 70% для всех измерений. Из рисунка 1 видно, что для фотографий одинаковых объектов, сделанных из одной точки, мы получаем одинаковый результат, т.к. стандартное отклонение средней погрешности внутри группы менее 6% для каждой из групп. Таким образом эксперимент можно признать состоявшимся, т.к. условия наличия ошибок, которые были определены заранее не выполнились.
Также из рисунка 2 видно, что среднее значение относительной погрешности составило 27%.
Таким образом, эксперимент показал, что метод определения расстояния до объекта на изображении, основанный на классификации объекта, определения реального размера объекта посредством заранее подготовленного справочника, определения размера объекта на изображении, определения фокусного расстояния объектива камеры и расчёта расстояния до объекта по формуле не точный, но его можно использовать на практике.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Что такое компьютерное зрение и где его применяют // РБК. Тренды, 2021 [Электронный ресурс]. URL: https://trends.rbc.ru/trends/industry/5f1fD07e9a7947-56fafbfa83 (дата обращения: 22.09.2024);
2. Шамышев А.А. Определение задачи измерения расстояния до объекта для систем компьютерного зрения с одним объективом // Международный научный журнал «Вестник науки». - Тольятти: 2023. - №9 - Том 4 - С. 339-342.
Shamyshev A.A.
Vladimir State University named after A.G. and N.G. Stoletovs
(Vladimir, Russia)
APPLICABILITY OF METHOD OF DETERMINING REAL SIZE WHEN CALCULATING DISTANCE TO OBJECT FOR COMPUTER VISION SYSTEMS WITH SINGLE LENS
Abstract: the paper describes the results of an experiment that aims to prove the applicability of the method of determining the real size of an object when calculating the distance to the object for computer vision systems with a single lens.
Keywords: computer vision, depth estimation, computer vision, monocular systems.
