САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПЕТРА ВЕЛИКОГО

ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ

Кафедра «Системный анализ и управление»

Диссертация допущена к защите

Зав. кафедрой

"____"________________20 г.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание степени МАГИСТРА

Тема: Программно-аппаратный комплекс

для анализа видеоизображения и управления видеокамерой

Направление: 09.04.02 – Информационные системы и технологии

Магистерская программа: 09.04.02.04 «Системный анализ и оптимизация информационных систем и технологий»

Выполнил студент гр. 63502/11 ____________ Ахметзянова Р.Р.

Руководитель, к.т.н., доцент ______________ Хлопин С.В.

Консультанты:

Реферат

c.82 ,рис.21, таб.4 , черт.0.

Ключевые слова: КОМПЬЮТЕРНОЕ ЗРЕНИЕ, ДЕТЕКТОР ДВИЖЕНИЯ, УПРАВЛЕНИЕ, АНАЛИЗ ВИДЕОИЗОБРАЖЕНИЯ, ТРЕКИНГ, РАСПОЗНАВАНИЕ ОБРАЗОВ, OPENCV, ПОСЛЕДОВАТЕЛЬЕЫЙ ПОРТ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, АЛГОРИТМ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЛИЦ, ОПТИЧЕСКИЙ ПОТОК, АЛГОРИТМ ВИОЛЫ-ДЖОНСА, АЛГОРИТМ ЛУКАСА-КАНАДЕ.

Настоящая работа посвящена разработке программно-аппаратного комплекса управления движением видеокамеры для слежения за лицом в режиме реального времени средствами языка C/C++ и библиотеки OpenCV в среде разработки QT Creator.

Работа состоит из введения, шести разделов, заключения.

Во введении отражена актуальность задачи и описаны основные требования к работе.

В первой главе проведен обзор основных понятий компьютерного зрения, а также рассмотрены основные алгоритмы детектирования объектов, движений в видеопотоке.

Во второй главе описаны используемое оборудование и аппаратная реализация системы.

В третьей главе описана разработка алгоритма детектирования лица.

В четвертой главе описана разработка алгоритма слежения за лицом человека.

В пятой главе описана модель принятия решений для управления движением камеры.

В шестой главе проведены исследования реализованной системы, проверка на соответствие поставленным требованиям и оценка погрешности.

Заключение включает основные выводы к работе.

Оглавление

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 1

ПЕТРА ВЕЛИКОГО 1

ИНСТИТУТ КОМПЬЮТЕРНЫХ НАУК И ТЕХНОЛОГИЙ 1

Кафедра «Системный анализ и управление» 1

Введение 6

Постановка задачи 7

1 Аналитический обзор предметной области 8

1.1 Компьютерное зрение 8

1.2 Обзор методов детектирования объектов 12

1.2.1 Эмпирические методы 12

1.2.2 Методы характерных инвариантных признаков 13

1.2.3 Распознавание с помощью шаблонов, заданных разработчиком 14

1.2.4 Методы обнаружения лица по внешним признакам 15

1.2.5 Выбор алгоритма 18

1.3 Обзор методов детектирования движения 19

1.3.1 Межкадровая разность 20

1.3.2 Базовый кадр 21

1.3.3 Методы оптического потока 22

1.4 Обзор инструментальных средств для разработки программного продукта 23

1.4.1 Библиотека OpenCV 24

1.4.2 Среда разработки MathWorks MATLAB 26

1.5 Интерфейсы последовательной передачи данных 27

1.5.1 RS-232 (EIA-232) 29

1.5.2 RS-422 (EIA-422) 29

2 Оборудование и аппаратная реализация 31

2.1.1 Характеристики камеры 31

2.1.2 Передача команд по протоколу VISCA 33

2.1.3 Получение изображения с камеры 36

2.1.4 Работа с портом 38

3 Анализ видеоизображения. Детектор лица 39

3.1 Постановка задачи 39

3.2 Метод Виолы-Джонса 39

3.2.1 Описание алгоритма 40

3.2.2 Схема распознавания 40

3.2.3 Признаки класса 41

3.2.4 Схема обучения 42

3.2.5 Интегральное представление изображений 44

3.2.6 Обучение 45

3.2.7 Распознавание 46

3.3 Программная реализация 48

4 Анализ видеоизображения. Слежение за лицом 50

4.1Постановка задачи 50

4.2 Метод Лукаса-Канаде 50

4.2.2 Одномерный случай 50

4.2.2 Двумерный случай 51

4.2.3 Недостатки метода 54

4.3 Выбор оптимальных параметров 55

4.4 Программная реализация алгоритма 58

5 Управление поворотом камеры 61

5.1 Постановка задачи 61

5.2 Перенацеливание на заданную точку поверхности 62

5.3 Модель принятия решений 63

6 Исследование системы 66

6.1 Оценка точности перенацеливания 66

6.2 Проверка на устойчивость к смене освещения 66

6.3 Время задержки 66

6.4 Устойчивость при частичном перекрытии объекта 67

6.5 Анализ влияния шумов 67

Заключение 68

Список литературы 69

Приложение 1. Код программы 71