[[alternative]]Vision-based navigation using MATLAB

碩士[[abstract]]本文所探討的主題為將Matlab 應用在視訊導航的研究。眾所皆知Matlab 是以 強大的矩陣運算和影像處理的能力而聞名, 因此在無人飛行載具的導航和控制方 面, Matlab 是一個很理想的選擇。以往, 在實現導航的控制律上都是使用C 的程 式語言來撰寫, 但是, 對一個非資工背景的研究人員來說, C 語言很難處理複雜的運 算; 而Matlab 具有強大的現成工具得以用來計算那些複雜的數學式, 因此在本研究 中, 無人飛行載具利用視訊進行導行。而整體架構, 從軟體分析到硬體實現, 皆使用 Matlab 來完成。本文並比較各種視訊處理的方法, 以了解其在Matlab 上的運算效 率其可用性, 並透過執行檔的生成和一些範例來證明將Matlab 應用在無人飛行載 具的視訊導航是一個很好的選擇。[[abstract]]The application of Matlab to the vision-based navigation is explored in this thesis. Well known for powerful capability in matrix operation and image processing, Matlab is an ideal candidate to navigate and control unmanned aerials vehicles (UAVs). Convention- ally navigation laws are implemented in hardware using C code, which is usually too difficult when dealing with sophisticated algorithms. Instead, Matlab has powerful tool- boxes for those complicated mathematics. In this research, the UAV is navigated with vision-based equipments, and Matlab is selected to construct the whole hardware hier- archy, from analysis to hardware implementation. Various algorithms regarding imaging processing are realized using Matlab for the purpose of performance comparison, and stand-along excutional files are generated for the hardware. Examples are provided to show that Matlab is also a good choice of language on the implementation of navigating UAVs using vision-based equipments.[[tableofcontents]]目錄 中文摘要I 英文摘要II 致謝IV 1 第一章緒論1 1.1 前言. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 動機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.3 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.4 研究方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.5 研究貢獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 第二章數位影像處理5 2.1 YCbCr色彩空間. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 HSI色彩空間. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.3 二值化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 中通濾波. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.5 膨脹和侵蝕. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.6 邊緣偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 第三章Matlab 工具介紹與使用17 3.1 視訊開啟、取點、截圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.2 YCbCr的轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.3 HSI的轉換. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4 直方統計圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.5 二值化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.6 中通濾波. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.7 膨脹與侵蝕. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.8 邊緣偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.9 尋找中心點. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.10 最小平方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4 第四章旋翼機導航與目標追蹤35 4.1 影像處理於導航之應用. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.1 XPLANE模擬. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.2 使用Google Earth 模擬. . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.2 目標物的追蹤. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.1 網路攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2.2 Google Earth 地圖目標物追蹤. . . . . . . . . . . . 54 4.3 軟硬體介紹. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.1 機載電腦. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.2 數據傳輸器CL4790 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3.3 影像傳輸器TD123000 . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.4 視訊設備. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.5 影像截取卡UPG304 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3.6 Programming 使用軟體. . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3.7 飛行模擬軟體. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.3.8 網路攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.9 Servo控制板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4 地面站建置. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 5 第五章結果與討論65 5.1 地形特徵辮識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.2 目標物的辨識. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 6 第六章結論77 7 第七章未來工作78 7.1 影像處理. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.2 軟體的改進. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 7.3 整合平台功能. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 表目錄 4.1 色彩空間轉換所須時間比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 5.1 使用HSI 和YCbCr 辨識XPLANE 地形的時間統計. . . . . 65 5.2 使用YCbCr 和HSI 辨識Google Earth 圖片的時間統計. . . 68 5.3 使用HSI 和YCbCr 色彩空間的時間統計. . . . . . . . . . . 71 5.4 兩種色彩空間辨識率之比較. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.5 使用YCbCr 和HSI 辨識Google Earth 街景的時間統計. . . 74 5.6 各步驟所花費時間比較表. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 圖目錄 2.1 特定地形導航流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2 追蹤目標觀測流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.3 色調轉換示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 取出遮罩內的值並排序. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5 將排序後的值放入像素位置內. . . . . . . . . . . . . . . . . 12 3.1 無人飛機導航導引使用Matlab, 從理論分析、模擬到硬體驗証. 17 3.2 Simulink 方塊組合. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 3.3 將視訊影像移到圖層上前. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.4 將視訊影像移到圖層上後. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 3.5 取點後的圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.6 未經轉換的原圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.7 YCbCr 轉換後的結過. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.8 HSI 轉換之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.9 圈選範圍圖H值的直方統計圖. . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3.10 經過二值化之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.11 經過中通濾波之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.12 經過膨脹之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.13 經過侵蝕之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.14 邊緣偵測之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3.15 已過濾完成的圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.1 模擬流程圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2 沿海岸線飛行圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.3 沿海岸線飛行圖轉YCbCr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.4 沿海岸線飛行圖轉HSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.5 Cb 值的直方統計圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.6 Cr 值的直方統計圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.7 H值的直方統計圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.8 新的截圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.9 經過HSI 轉換後的二值化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.10 經過YCbCr 轉換後的二值化. . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 4.11 經過YCbCr 轉換後中通濾波結果. . . . . . . . . . . . . . . 42 4.12 經過HSI 轉換後中通濾波結果. . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.13 膨脹之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.14 侵蝕之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.15 邊緣偵測. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.16 計算海岸線斜率. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4.17 原始Google Earth 海岸線圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.18 經過HSI 方式處理後的海岸線. . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.19 原始追蹤目標實驗圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.20 追蹤目標實驗圖轉YCbCr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.21 擷圖以HSI 色彩模型表示. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.22 圈選範圍的圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.23 圈選範圍圖片經過HSI 轉換後以H 值為直方統計圖. . . . . . 50 4.24 圈選範圍圖片經過YCbCr 轉換的Cb 直方統計圖. . . . . . . 50 4.25 圈選範圍圖片經過YCbCr 轉換的Cr 直方統計圖. . . . . . . 51 4.26 新截取的圖片. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.27 經過中通濾波之後的結果. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.28 視訊角與物體位置關係圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.29 原始Google Earth 道路圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.30 經處理後的目標物. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.31 機載電腦PM-LX-800 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.32 CL4790數據傳輸器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.33 RX-1210AP1C 1.2GHz 簡易收發機. . . . . . . . . . . . . . 58 4.34 TD123000 影像傳輸器. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.35 視訊設備– GR-D270 TW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.36 影像截取卡UPG304 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.37 X-Plane 示意圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.38 網路攝影機. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.39 Servo控制板. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.40 地面站之使用者介面. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.1 原圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.2 使用YCbCr 方式辨識海岸線. . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 5.3 使用HSI 方式辨識海岸線. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.4 原始Google Earth 海岸線圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 5.5 經過HSI 方式處理後的海岸線. . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.6 經過YCbCr 方式處理後的海岸線. . . . . . . . . . . . . . . 69 5.7 使用YCbCr 方式辨識綠色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.8 使用YCbCr 方式辨識粉紅色. . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.9 使用HSI 方式辨識綠色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.10 使用HSI 方式辨識粉紅色. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 5.11 原始Google Earth 街景圖. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.12 經過HSI 方式處理後的目標物. . . . . . . . . . . . . . . . . 75 5.13 經過YCbCr 方式處理後的目標物. . . . . . . . . . . . . . . 75[[note]]學號: 697430279, 學年度: 9