Mapeamento e odometria visual em ambiente subaquático

106 Pages·2017·36.97 MB·Portuguese

FACULDADE DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE DO PORTO
Mapeamento e odometria visual em
ambiente subaquático
Alexandra Pereira Nunes
MestradoIntegradoemEngenhariaEletrotécnicaedeComputadores
Orientador: ProfessorDoutorAníbalCastilhoCoimbradeMatos
Coorientador: DoutorAndryMaykolGomesPinto
24defevereirode2017
(cid:13)c AlexandraNunes,2017
Resumo
Os veículos autónomos subaquáticos têm sido cada vez mais aplicados em diversas áreas,
nomeadamente em tarefas de risco para o Ser Humano, tendo cada vez mais impacto nas que
envolvemmonitorizaçãodeestruturassubmersaseinspeçãoóticaparacontrolodasuaqualidade.
Nesta área o uso de sensores óticos tem vindo a revelar-se essencial, uma vez que, para além
de apresentarem custos apelativos, fornecem maior quantidade de dados e encontram-se bastante
aptos na recolha de informações em curtas distâncias em relação ao fundo oceânico ou das es-
truturas nele presentes. No entanto, ainda é relevante a melhoria de métodos para a utilização de
câmarasemambientessubaquáticos,devidoàscaracterísticasinerentesaestemeio.
Para a reconstrução tridimensional das estruturas submersas é possível recorrer-se a lasers,
juntamentecomcâmaras,quetentamcriarumarepresentaçãofieldaestruturaamapear. Paraesta
tarefa é necessário estimar, simultaneamente, o movimento do sistema de aquisição e recorre-se,
muitasvezes,àodometriavisual. Estemétodoéresponsávelpelamediçãodomovimentorelativo
dacâmara,ouseja,entreframesconsecutivas.
Destaforma,apresentedissertaçãopassa,numaprimeirafase,pelaanálisedacomparaçãode
métodosdeodometriavisualmonocularparaaseleçãodomaisapto,nocontextopretendido,epela
descrição do desenvolvimento de um método capaz de acumular as informações tridimensionais
recolhidasaolongodotempo,combinandotambéminformaçãoRGBparaserpossívelobteruma
ideia da textura da superfície recolhida. Por fim, são descritos os testes realizados em cenários
terrestreesubaquático,ondeforamestudadasdiversasparticularidadesdomapeamento3D.
A partir das experiências realizadas, verificou-se que o mapeamento tridimensional com in-
formação de textura representa uma mais valia no aumento da perceção dos fundos do mar, bem
comodoqueneleexiste.
i
ii
Abstract
Autonomousunderwatervehiclesareappliedmoreandmoreinverydiversefields,namelyin
tasksthatareriskyforhumanbeingstoperform. Theyhavemoreandmoreimpactinthesectors
that require the monitorisation and optical inspection of underwater structures for the purpose of
qualitycontrol.
Opticalsensorshaveshownthemselvesessentialinthisfieldastheyareamoreappealingcost
andtheysupplyalargerquantityofdata,aswellasbeingquiteaptintherecoveryofinformation
atashortdistanceoftheoceanfloororthestructurespresentthere. However, itisstillimportant
toimprovethemethodsforusingcamerasinunderwaterenvironments,giventherisksinvolved.
Laserscanbeusedtoreconstructunderwaterstructuresinthreedimensions,alongwithcame-
raswhichcreateafaithfulrepresentationofthestructureoneintendstomap. Toperformthistask
itisnecessarytosimultaneouslyestimatethemovementoftheintakesystemandveryoftenvisual
odometry is used. This method is responsible for measuring relative camera movement, that is,
fromframetoconsecutiveframe.
First, this dissertation compares different monocular visual odometry methods to select the
bestoneforeachcontext,inordertolaterdevelopamethodthatcanputtogetherthethreedimen-
sionalinformationthathasbeenharvestedovertime,combiningalsoRGBinformationastogive
an idea of the texture of the processed surface. Finally, tests performed in underwater and above
ground scenarios are described, wherever the several different specificities of 3D mapping were
studied.
Through the experiments that were performed, it was confirmed that threedimensional map-
ping with texture information is an asset in increasing sea floor perception, as well as that which
existsinit.
iii
iv
Agradecimentos
Estetrabalhosimbolizaoculminardeumcicloque,emboramuitotrabalhoso,medeuenorme
gosto realizar. É hora de agradecer àqueles que, de uma forma ou de outra, me ajudaram a que
tudoistofossepossível.
Agradeço,desdejá,aomeuorientadorProfessorAníbalMatosportodaadedicação,empenho
eforçaquesempremetransmitiu. Portodososensinamentosepalavrasdeincentivo,nãoesque-
cendo as oportunidades que me proporcionou ao longo desta etapa. Ao meu coorientador Andry
Pinto,portersidoumgrandeapoio,pelainúmerapaciência,pornuncadesistirdestadissertaçãoe,
acimadetudo,pelaexigênciaqueteveparacomigo,poistambémédevidoaelaquehojealcanço
este resultado. Ao projeto STRONGMAR pelas oportunidade e aprendizagens que me proporci-
onou. Um grande obrigada! Agradeço ainda a todos os companheiros académicos e do CRAS,
principalmenteaoJorgeBarbosa,portodooapoio.
Queroagradeceraosmeuspaispelooapoioincondicionalquemederam,nãosónarealização
destadissertação,comonestes24anosondesempreestiverampresentesparameapoiaremtodos
as etapas da minha vida. São, sem dúvida, os meus principais pilares. Ao meu irmão que seguiu
todo este trajeto atentamente e com grande carinho. Espero que, também ele, se orgulhe deste
trabalho. ÀminhatiaGlóriapornuncamedeixaretambémporserparamimummodeloaseguir.
Aeles,umgrandeobrigadapormeensinaremoverdadeirosignificadodefamília.
AoPedroporterestadosemprelácomamáximapaciênciaparaosbonsemausmomentose
portodooapoioededicaçãoaolongodestajornada. Obrigadaporteressidoaindaumafontede
inspiraçãoeorgulhoportodooteupercurso. Aosseuspais,porsempremereceberemdamelhor
formaecomamaiorsimpatia. AgradeçotambémàMartaeaoGuiportodaapreocupaçãoeapoio
demonstrado. Porfim,masnãomenosimportante,àminhapequeninaMatildequeemtãopouco
tempojámeensinoutanto.
À Rita por todo o companheirismo demonstrado não só ao longo desta pequena “montanha
russa”queéa realização dadissertação, comotambémnosquase10 anosanteriores. Foijuntoa
elaquetermineiduasgrandesetapasdaminhavida,sendoqueestaterceirateráumgostoespecial
porserumgrandemarcoparaambas. Obrigadaporteresestadosemprelá,nãometeresdeixado
desistir quando mais apetecia e, acima de tudo, pela tua amizade. É maravilhoso ter na mesma
pessoaumaamiga,umacompanheiraeumaparceiradetrabalho. Lembra-te,jádiziaRalphEmer-
son,"nenhumcaminhoélongodemaisquandoumamigonosacompanha". Agradeçotambémao
Brunopeloapoio,ajudaedisponibilidade.
ÀAna,porsempreacreditaremmim. Foisemdúvidaamelhorsurpresaqueoiníciodavida
académicametrouxe. Obrigada!
Aproveitoaindaparaagradeceradoisprofessores: ProfessorJoãoPavãoeProfessorArmando
Sousa. Tiveram grande influência para mim, não só academicamente, como também a nível de
desenvolvimentopessoal. Acreditaramsempreemmim!
AlexandraNunes
v
vi
“Greatthingsnevercamefromacomfortzone.”
RajatDogra
vii
viii