proposta de um marcador fiducial e algoritmo para estimativa de coordenadas espaciais

68 Pages·2017·3.33 MB·Portuguese

PROPOSTADEUMMARCADORFIDUCIALEALGORITMOPARAESTIMATIVA
DECOORDENADASESPACIAIS
SandrodeSouzaSaporito
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia de
ComputaçãoeInformaçãodaEscolaPolitécnica,Universidade
Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessá-
rios à obtenção do título de Engenheiro de Computação e In-
formação.
Orientador: DanielRattonFigueiredo
RiodeJaneiro
Fevereirode2017
PROPOSTADEUMMARCADORFIDUCIALEALGORITMOPARAESTIMATIVA
DECOORDENADASESPACIAIS
SandrodeSouzaSaporito
PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE
ENGENHARIA DE COMPUTAÇÃO E INFORMAÇÃO DA ESCOLA POLITÉCNICA
DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS RE-
QUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO DE
COMPUTAÇÃOEINFORMAÇÃO.
Examinadopor:
Prof. DanielRattonFigueiredo,Ph. D.
Prof. FernandoGilViannaResendeJunior,Ph. D.
Prof. RicardoGuerraMarroquim,D.Sc.
RIODEJANEIRO,RJ-BRASIL
FEVEREIRODE2017
Saporito,SandrodeSouza
Proposta de um Marcador Fiducial e Algoritmo para Esti-
mativa de Coordenadas Espaciais/Sandro de Souza Saporito –
RiodeJaneiro: UFRJ/ESCOLAPOLITÉCNICA,2017.
VIII,58p.: il.;29,7cm.
Orientador: DanielRattonFigueiredo.
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso
deEngenhariadeComputaçãoeInformação,2017.
ReferênciasBibliográficas: p. 30-30.
1.InterfaceNaturaldeUsuário. 2.VisãoComputacional.
3. Marcador Fiducial. 4. Rastreamento de Vídeo. I. Fi-
gueiredo, Daniel Ratton. II. Universidade Federal do Rio de
Janeiro,EscolaPolitécnica,CursodeEngenhariadeComputa-
çãoeInformação. III.Título.
i
Àminhamãe.
ii
Agradecimentos
Por maior que seja o esforço pessoal, ninguém se forma sozinho. Assim, devo agradeci-
mentos:
À minha mãe, Sandra Regina de Souza, que tanto me apoiou de todas as formas
possíveisduranteasdificuldades–anteseaolongodagraduação.
Aomeupai,EdisonSaporito,pelacontribuiçãofinanceira.
AoAlan,meuprimo-irmão.
Aos valiosos amigos, que enriqueceram estes últimos anos compartilhando e divi-
dindoosfardoseasalegrias.
Aos professores, da Engenharia de Computação ou não, que me motivaram ou foram
importantesparaminhaformação: DanielRattonFigueiredo,FernandoGilVianna,Cláu-
dioEsperança,SérgioBarbosaVillas-Boas,FelipeAckereLuizFranciscoDiasPereira.
À secretária da coordenação de curso de Engenharia de Computação, Beatriz Prata,
ao coordenador, Jano Moreira de Souza, e à vice-diretora da Escola Politécnica, Elaine
Garrido Vazquez, pela disposição, paciência e eficiência no tratamento de assuntos aca-
dêmicos.
Por fim, a todas as pessoas, mesmo desconhecidas por mim, que contribuíram para
istodealgumaforma.
iii
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/COPPE/UFRJ como
partedosrequisitosnecessáriosparaaobtençãodograudeEngenheirodeComputaçãoe
Informação.
PROPOSTADEUMMARCADORFIDUCIALEALGORITMOPARA
ESTIMATIVADECOORDENADASESPACIAIS
SandrodeSouzaSaporito
Fevereiro/2017
Orientador: DanielRattonFigueiredo
Curso: EngenhariadeComputaçãoeInformação
Processadores, tanto em dispositivos móveis quanto em desktops, possuem hoje a
capacidade de extrair eficientemente informações significativas de imagens geradas em
temporeal. Estefatopermitiuaconstruçãodeinterfacesqueutilizamgestosemovimen-
tos reais para controlar objetos virtuais, normalmente através de equipamentos próprios
paraisto.
Este trabalho consiste na construção de software que utiliza apenas uma câmera co-
mum e visão computacional para mapear movimentos reais em virtuais, dispensando
hardware especializado. Para tanto, utiliza um modelo de marcador fiducial colorido,
o que permite que o detector despreze partes da imagem. Através da informação obtida
na detecção do marcador, pode-se também controlar uma aplicação de visualização 3D
simples,desenvolvidacomoprovadeconceito.
Palavras-chave: visão computacional, marcador fiducial, interface sem toque, inter-
face natural deusuário, rastreamentode vídeo, detecçãodecaracterística, processamento
deimagensemtemporeal,visualização3D
iv
Abstractof theUndergraduateProject presentedto Poli/COPPE/UFRJ asa partialfulfill-
mentoftherequirementsforthedegreeofComputerandInformationEngineer.
DESIGNOFAFIDUCIALMARKERANDANALGORITHMFORSPATIAL
COORDINATESESTIMATION
SandrodeSouzaSaporito
February/2017
Advisor: DanielRattonFigueiredo
Course: ComputerandInformationEngineering
Processors, whether on mobile or desktop devices, are now able to efficiently derive sig-
nificant information from real-time imagery. Such a state of affairs has allowed the cons-
truction of interfaces based on gesture and motion recognition in order to control virtual
objects,usuallythroughequipmentdesignedforthispurpose.
This work consists in the construction of software which employs only a regular ca-
mera and computer vision in order to map real motion into virtual motion, sparing users
from specialized hardware. To this end, a colored fiducial marker is used, enabling the
detector to ignore irrelevant parts of the image. Through the information gathered by the
detector, it is also possible to control a 3D visualization application, developed as proof
ofconcept.
Palavras-chave: computer vision, fiducial marker, touchless interface, natural user
interface,videotracking,featuredetection,real-timeimageprocessing,3Dvisualization
v
Sumário
ListadeFiguras viii
1 Introdução 1
1.1 DescriçãodoProblema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 OrigemdoProjeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 TrabalhosRelacionados 3
2.1 MicrosoftKinect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.2 PlaystationEyeePlaystationMove . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 MarcadorBinário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
3 Metodologia 7
3.1 RotulaçãodeComponentesConexas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.1 ConectividadedePixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3.1.2 CorcomoCaracterística . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3.1.3 AbordagemIncremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
3.2 ProjetodeMarcadorFiducial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
3.3 ModelagemdeMovimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3.1 SistemadeCoordenadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3.3.2 MapeamentodePosição . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3.3.3 MapeamentodeOrientação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3.3.4 Suavização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
4 ImplementaçãoeResultados 19
4.1 PlataformadeDesenvolvimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.1 EscolhadeLinguagemdeProgramação . . . . . . . . . . . . . . 19
4.1.2 AmbienteProcessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2 ArquiteturadeSoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4.2.1 DetecçãodeCaracterísticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
4.2.2 MapeamentodeMovimento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.3 InterfaceGráficadeUsuário . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.4 AplicaçãoemVisualização3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
vi
4.5 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
5 Conclusões 28
5.1 TrabalhosFuturos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Referências 30
Apêndice A1
A ConceitosEssenciais A1
A.1 Grausdeliberdadedeumobjetofísico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1
A.2 Orientação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1
A.3 ProdutoVetorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A1
A.4 ProdutoEscalar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . A2
B Código B1
B.1 Segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B1
B.2 SegmentList . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B2
B.3 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B5
B.4 ConnectedRectangles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B8
B.5 ShapeRecognition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B12
B.6 Trackable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B18
B.7 Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B20
B.8 P3DWindow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B22
vii
Lista de Figuras
1 MicrosoftKinect. Fonte: RobotGlobe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 PlaystationEyeePlaystationMove. Fonte: AmazonUK . . . . . . . . . 5
3 MarcadoresBinários. Fonte: SPIE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
4 ConectividadedePixels. Fonte: UniversityofAlberta . . . . . . . . . . . 8
5 CuboRGB.Fonte: WikimediaCommons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
6 CilindroHSB.Fonte: StackExchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
7 Marcadorcomcírculosequidistantes. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . 11
8 Sistemadecoordenadasadotado. Fonte: Elaboradopeloautor . . . . . . 12
9 Relaçãoentretamanhoeprofundidadedeumobjetoesuaimagem. Fonte:
PhysicsSoup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
10 VetorUp. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
11 ÂngulosdeEuler. Fonte: ResearchGate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
12 ClassesparaDetecção. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . . . . . . . . 20
13 ClassesparaRastreamento. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . . . . . . 23
14 InterfaceGráficadeUsuário. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . . . . . 24
15 Aplicaçãodevisualização3D.Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . . . . 25
16 Aplicaçãocominformaçãoauxiliar. Fonte: Elaboradopeloautor. . . . . 25
viii