Das Ziel dieser Diplomarbeit ist die Entwicklung einer Systemplattform für die Echtzeit-Bildverarbeitung an Bord eines VTOL-MAV unter Berücksichtigung der gegebenen Rand-bedingungen des bereits existierenden Miniatur-Helikopters MD4-200. Diese Randbedingungen sind zunächst zu identifzieren, darauf aufbauend sind die erforderlichen Hardwarekomponenten der Systemplattform zu selektieren sowie ein Konzept für die Implementierung einer Softwareumgebung auf der Hardwareplattform zu entwerfen. Danach soll ein Prototyp der Systemplattform erstellt und in Betrieb genommen werden. Um die Leistungsfähigkeit der Plattform zu validieren sind im Anschluss verschiedene Algorithmen der Bildverarbeitung zu implementieren, die auch als Basis für weitere Applikationen dienen sollen.
Inhaltsverzeichnis
- Inhalt
- Einleitung
- Aufgabenstellung
- Gliederung der Arbeit
- Grundlagen
- Das VTOL-MAV MD4-200
- Leistungsdaten
- Avionik
- Digitale Signalprozessoren
- Arithmetik
- Fixkommaarithmetik
- Gleitkommaarithmetik
- Spezialisierte Recheneinheiten
- Speicherzugriff
- Direct Memory Access
- Analog Devices Blackfin BF 561
- Die Blackfin Prozessorfamilie
- Peripherie
- Besonderheiten des ADSP-BF 561
- Arithmetik
- Bildsensorik
- Verfahren der Bildaufnahme
- Logische Repräsentation der Bilddaten
- Bayer-Sensor
- Farbmodelle
- RGB
- YUVundYCbCr
- Bildübertragung
- Phase Altemating Line
- Der Optische Fluss
- Prinzipien
- Das Verfahren nach Lukas und Canade
- Das VTOL-MAV MD4-200
- Systemintegration
- Anforderungen an Systemplattform
- Hardware
- Systemüberblick
- Systemkomponenten
- Prozessormodul
- Kameras
- Vldeoencoder
- Massenspeicher
- 12C und SCCB Schnittstellen
- Spannungsversorgung
- Benutzerschnittstellen
- Betriebssystem und Applikationen
- Das Betriebssystem "Clin
- Layout des Arbeitsspeichers
- Bootvorgang
- Initialisierung des Prozessors
- Der Bootprozess im Detail
- Erzeugung und Übertragung stereographischer Bilddaten
- Entstehung des Tiefeneindmcks
- Erzeugung stereographischer Bilddaten in Echtzeit
- Signalpfad der Bilddaten
- Synchronisation der Kameras
- Bayer-Interpolation
- Farbraumkonvertierung
- Erzeugung des PAL-Signals
- Layout des SDRAM-Speichers
- Übertragung des Videopuffers
- Visualisierung
- Darstellung mittels Vldeobrille
- Darstellung mittels Anaglyphen
- Schätzung des optischen Flusses mittels Census Transformation
- Ergebnisse
- Systemplattform
- Technische Daten
- Anwendungen
- Stereographie
- Schätzung des Optischen Flusses
- Systemplattform
- Zusammenfassung
- Verzeichnis der Applikationen
- Verzeichnis camtools
- Verzeichnis vi denctools
- Anaglyphenbrille
- Schaltpläne
- Literaturverzeichnis
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung einer Systemplattform für die Echtzeit-Bildverarbeitung an Bord eines VTOL-MAVs. Ziel ist die Integration der Plattform in das bereits existierende Navigationssystem des MAVs, um die Navigationslösung durch automatisierte Bildverarbeitung zu stützen. Die Plattform soll dabei die physikalischen Randbedingungen des MAVs erfüllen und die Möglichkeit bieten, Bilddaten von mehreren Kameras effizient zu verarbeiten. Die Arbeit umfasst den Entwurf der Hardwareplattform, die Auswahl geeigneter Komponenten, die Entwicklung der Softwareumgebung und die Implementierung von Algorithmen zur Validierung der Leistungsfähigkeit der Plattform.
- Bildverarbeitung in Echtzeit
- Integration in ein Navigationssystem
- Entwicklung einer Hardwareplattform
- Entwicklung einer Softwareumgebung
- Validierung der Plattform durch Implementierung von Algorithmen
Zusammenfassung der Kapitel
Das zweite Kapitel stellt die Grundlagen der Arbeit vor, indem es die relevanten Eigenschaften des VTOL-MAVs MD4-200, die Anforderungen an die Systemplattform und die Funktionsweise von Digitalen Signalprozessoren erläutert. Außerdem werden verschiedene Verfahren der Bildsensorik und -übertragung sowie das Konzept des Optischen Flusses in der Bildverarbeitung behandelt.
Kapitel 3 beschreibt den Entwurf und die Integration der Systemplattform. Es werden die Anforderungen an die Plattform analysiert, die eingesetzten Hardwarekomponenten vorgestellt und die Softwareumgebung, bestehend aus dem Betriebssystem "Clinux und den dazugehörigen Treibern, erläutert.
In Kapitel 4 wird die Implementierung einer Anwendung zur Erzeugung und Übertragung von stereographischen Bilddaten auf der Systemplattform vorgestellt. Die Anwendung ermöglicht die Darstellung der Umgebung von Bord des MAVs in 3D und dient der Validierung der Plattform für die Implementierung von Algorithmen der Stereobildverarbeitung.
Kapitel 5 behandelt die Implementierung eines Algorithmus zur Schätzung des Optischen Flusses mittels Census Transformation. Die Census Transformation bietet gegenüber dem etablierten Lukas-Canade Algorithmus den Vorteil einer effizienteren Implementierung auf der Blackfin-Architektur und ermöglicht eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit.
Das sechste Kapitel präsentiert die Ergebnisse der Arbeit. Es werden die technischen Daten der Systemplattform zusammengefasst und die beiden implementierten Anwendungen, die Erzeugung von Stereobildern und die Schätzung des Optischen Flusses, anhand von realen Bilddaten validiert.
Schlüsselwörter
Die Schlüsselwörter und Schwerpunktthemen des Textes umfassen die Echtzeit-Bildverarbeitung, die Systemplattform, den VTOL-MAV, den Digitalen Signalprozessor, die Blackfin-Architektur, das Betriebssystem "Clinux, die Stereobildverarbeitung, die Census Transformation und den Optischen Fluss.
- Quote paper
- Carsten Kappenberger (Author), 2008, Entwurf und Implementierung einer Systemplattform für die Echtzeit-Bildverarbeitung an Bord eines VTOL-MAVs, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/178023
