SEMINARVORTRAG, AACHEN, 19.01.12 RUBEN SCHWARZWALD Grundlagen der Kameragestützten Objekterkennung in Echtzeit Betreuer: Prof. Dr. Walter Hillen Dipl.-Ing.

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1 SEMINARVORTRAG, AACHEN, 19.01.12 RUBEN SCHWARZWALD Grundlagen der Kameragestützten Objekterkennung in Echtzeit Betreuer: Prof. Dr. Walter Hillen Dipl.-Ing. Yvonne Schockert

2 Inhalt 1Einleitung 2Grundlagen 3Connected Component Labeling 4Umsetzung 5Ausblick

3 EINLEITUNG

4 Sensorgestützte Sortierung von Abfällen Hauptforschungsgebiet des IAR Optische Sortierung Kamera über einem Förderband Aussortierung mit Hilfe von Druckluftdüsen

5 IFA Sorter

6 Datenverarbeitung Segmentierung Objektsuche Auswertung Sortierung in Echtzeit

7 Grundlagen

8 Objekterkennung Grundlegende Aufgabe der Bildverarbeitung Identifiziert Objekte in Graphiken Anwendungsbeispiele  Texterkennung  Sortieranlagen

9 Implementierungen Keine ist so flexibel wie die Menschliche Wahrnehmung Erkennungsmerkmale sind stark von der Perspektive und der Beleuchtung abhängig Anwendungsspezifisch

10 Binärbilder Schwarz/Weiß Bild ohne Graustufen Bildpunkte als einzelnes BIT gespeichert Objekte werden mit einer Farbe markiert Der Hintergrund wird mit der anderen Farbe markiert

11 Binärbilder Abbildung: Binärbild und Originalbild

12 Segmentierung Unterteilung eines Bildes in zusammenhängende Regionen Prüft für jeden Bildpunkt ob er zum Vordergrund oder zu Hintergrund gehört Erzeugt ein Binärbild

13 Segmentierung Pixelbasierte Verfahren  Entscheiden anhand Informationen eines Bildpunkts  Anfällig für Störungen wie zum Beispiel ungleichmäßige Beleuchtung  Schneller als robustere Verfahren  z.B. Schwellwertverfahren

14 Nachbarschaftsrelationen Definieren wann Bildpunkte als benachbart betrachtet werden In einem quadratischen 2D Raster gibt es 2 Varianten

15 Nachbarschaftsrelationen 4er Nachbarschaft  Bildpunkte sind benachbart wenn sie eine gemeinsame Kante besitzen

16 Nachbarschaftsrelationen 8er Nachbarschaft  Bildpunkte sind benachbart wenn sie eine gemeinsame Kante oder Ecke besitzen

17 Nachbarschaftsrelationen Eine zusammenhängende Gruppe ist also eine Menge von Bildpunkten welche über Nachbarschaften verbunden sind Je nach Art der Nachbarschaft kann es zu unterschiedlichen Ergebnissen kommen

18 Nachbarschaftsrelationen Beispiel für unterschiedliche Ergebnisse bei Verwendung von 4er oder 8er Nachbarschaft

19 Connected Component Labeling

20 Weist jeder zusammenhängenden Gruppe in einem Binärbild ein eindeutiges Label her Benötigt sequentielle Operationen, da die Operation nicht nur auf Grundlage der Informationen eines Bildpunkts ausgeführt werden kann

21 Connected Component Labeling

22 Voraussetzungen Hintergrund muss eindeutig von den Objekten getrennt sein Es sollte keine fehler im Hintergrund geben D.h. Das Bild muss Fehlerfrei segmentiert sein

23 Algorithmen Es gibt viele Algorithmen welche das Connected Component Labeling umzusetzen Algorithmen können in vier Klassen eingeteilt werden 2 davon eignen sich für die Verwendung auf gewöhnlichen Computern

24 Algorithmen Algorithmen welche das Bild mehrfache vorwärts und rückwärts durchlaufen bis das Ergebnis sich nicht mehr verändert  Bei komplexen Mustern sehr Zeitintensiv  Nicht für zeitkritische Systeme geeignet

25 Algorithmen Two-Pass Algorithmus  Im ersten Bilddurchlauf werden den Bildpunkten Label zugewiesen und notiert wenn für ein Objekt mehrere Label verwendet worden sind  Im Zweiten durchlauf wird jedem Objekt dann ein eindeutiges Label zugewiesen

26 Algorithmen Algorithmen für durch Baumstrukturen dargestellte Bilder  Arbeiten mit Suchalgorithmen Parallele Algorithmen  Für massive parallele Prozessoren

27 Umsetzung

28 Programmanforderungen Umsetzung des Connected Component Labeling Möglichst geringe Ausführungszeit Einzelnes Bild als eingabe Ausgabe in zwei Arrays:  In einem werden alle zu Objekten gehörenden Bildpunkte gespeichert  Im anderen wo das Objekt beginnt und wie viele Bildpunkte es umfasst

29 Verwendete Hardware Gewöhnlicher Desktop Rechner  Kostengünstiger als spezielle Hardware  Eignet sich besser um mit verschiedenen Algorithmen zu experimentieren

30 Auswahl des Algorithmus Segmentierung mit dem Schwellwertverfahren  Geringe Rechenzeit  Ausreichendes Ergebnis

31 Auswahl des Algorithmus Two-Pass Algorithmus  Keine besonderen Hardwareanforderungen  Einfach zu implementieren  Geringe maximaleLaufzeit

32 Implementierung Ursprüngliches Bild

33 Implementierung Mit dem Schwellwertverfahren generiertes Binärbild

34 Implementierung Ergebnis nach dem Ersten Durchlauf

35 Implementierung Endergebnis

36 Performance Test

37 Testbild 1, hohe Anzahl von kleinen Objekten(200x200) ProgrammBenötigte Zeit (ms) In dieser Arbeit entstandenes Programm 162 Bereits existierendes Programm welches auch einen Two-Pass Algorithmus verwendet 3 Bereits existierendes Programm welches den naiven Ansatz verwendet 1

38 Performance Test Testbild 2, niedrige Anzahl von großen Objekten(200x200) ProgrammBenötigte Zeit (ms) In dieser Arbeit entstandenes Programm 735 Bereits existierendes Programm welches auch einen Two-Pass Algorithmus verwendet 4 Bereits existierendes Programm welches den naiven Ansatz verwendet 3

39 Performance Test Testbild 3, Maximale Anzahl mit minimal großen Objekten(200x200) ProgrammBenötigte Zeit (ms) In dieser Arbeit entstandenes Programm 3385 Bereits existierendes Programm welches auch einen Two-Pass Algorithmus verwendet 7469 Bereits existierendes Programm welches den naiven Ansatz verwendet 7

40 Performance Test Testbild 4, Einzelnes Objekt welches das gesamte Bild bedeckt (200x200) ProgrammBenötigte Zeit (ms) In dieser Arbeit entstandenes Programm 2520 Bereits existierendes Programm welches auch einen Two-Pass Algorithmus verwendet 9 Bereits existierendes Programm welches den naiven Ansatz verwendet 6

41 Performance Test Testbild 5, Kurzer Text(200x200) ProgrammBenötigte Zeit (ms) In dieser Arbeit entstandenes Programm 149 Bereits existierendes Programm welches auch einen Two-Pass Algorithmus verwendet 2 Bereits existierendes Programm welches den naiven Ansatz verwendet 1

42 Ausblick

43 Verbesserung der Laufzeit durch Verwendung eines zweidimensionalem Kooridantenarrays Parralele Ausführung des Programms auf meheren Prozessor Kernen