清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 A Study of Coverage Analysis for Cleaning Robot 研 究 生 : 林 育 昇 撰 指 導 教 授 : 陳 智 勇 博 士 樹 德 科 技 大 學 電 腦 與 通 訊 研 究 所 碩 士 論 文 A Th

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1 樹 德 科 技 大 學 電 腦 與 通 訊 研 究 所 碩 士 論 文 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 A Study of Coverage Analysis for Cleaning Robot 研 究 生 : 林 育 昇 撰 指 導 教 授 : 陳 智 勇 博 士 中 華 民 國 一 百 零 一 年 六 月

2 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 A Study of Coverage Analysis for Cleaning Robot 研 究 生 : 林 育 昇 撰 指 導 教 授 : 陳 智 勇 博 士 樹 德 科 技 大 學 電 腦 與 通 訊 研 究 所 碩 士 論 文 A Thesis Submitted to Department of Computer and Communication Shu-Te University In Partial Fulfillment of the Requirements For the Degree of Master of Science June 2012 中 華 民 國 一 百 零 一 年 六 月

3 樹 德 科 技 大 學 碩 士 班 研 究 生 指 導 教 授 推 薦 書 本 校 電 腦 與 通 訊 研 究 所 林 育 昇 君 所 提 之 論 文 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 係 由 本 人 指 導 撰 述, 同 意 提 付 審 查 指 導 教 授 : 一 百 零 一 年 六 月 一 十 二 日

4 樹 德 科 技 大 學 碩 ( 博 ) 士 班 研 究 生 學 位 考 試 審 定 書 100 學 年 度 第 二 學 期 電 腦 與 通 訊 研 究 所 林 育 昇 君 所 提 之 論 文 題 目 : 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 A Study of Coverage Analysis for Cleaning Robot 經 本 學 位 考 試 委 員 會 審 議, 認 為 符 合 碩 士 資 格 標 準 召 集 人 委 員 委 員 委 員 委 員 委 員 指 導 教 授 系 所 主 管 中 華 民 國 101 年 6 月 12 日

5 樹 德 科 技 大 學 電 腦 與 通 訊 研 究 所 學 生 : 林 育 昇 指 導 教 授 : 陳 智 勇 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 分 析 之 研 究 摘 要 本 論 文 目 的 在 於 使 用 電 腦 視 覺 方 式 量 測 家 庭 清 潔 機 器 人 行 走 路 徑 資 料, 並 分 析 機 器 人 行 走 之 覆 蓋 率 與 重 複 率, 藉 以 判 定 機 器 人 清 潔 的 效 能 首 先, 以 影 片 拍 攝 方 式 記 錄 清 潔 機 器 人 路 徑 運 行 過 程, 由 鏡 頭 校 正 演 算 法 將 轉 換 影 片 畫 面, 調 校 其 因 鏡 頭 拍 攝 時 所 導 致 的 變 形, 再 以 變 形 校 正 演 算 法 將 傾 斜 影 像 之 還 原, 最 後 透 過 影 像 處 理 方 式 擷 取 清 潔 機 器 人 座 標 位 置, 建 立 完 整 的 清 潔 機 器 人 行 走 路 徑 資 料 此 外 本 研 究 使 用 不 同 大 小 的 實 驗 場 地 以 及 模 擬 家 庭 環 境 設 置 障 礙 物, 設 計 多 樣 化 的 實 驗 場 地 分 析 出 清 潔 機 器 人 在 單 純 或 複 雜 環 境 中 的 覆 蓋 率 及 重 覆 率 的 情 形 由 實 驗 結 果 可 發 現, 本 研 究 所 使 用 之 路 徑 分 析 方 法, 可 以 有 效 的 得 知 清 潔 機 器 人 路 徑 資 料, 對 於 機 器 人 覆 蓋 率 研 究 能 提 供 較 高 的 準 確 性 以 及 可 信 度 關 鍵 字 : 鏡 頭 校 正 變 形 校 正 全 域 覆 蓋 率 重 覆 率 清 潔 機 器 人 視 覺 化 量 測 機 器 人 路 徑 分 析 i

6 Department of Computer and Communication, Shu-Te University A Study of Coverage Analysis for Cleaning Robot Student:Yu-Sheng Lin Advisors:Dr. Chih-Yung Chen ABSTRACT The purpose of this thesis focuses on path analysis, coverage and repetition rate of home cleaning robot using the method of computer vision measurement methods. Firstly, a camera is used to capture the robot motion video, and then a lens calibration algorithm is applied to correct the video sequence to calibrated images. Then, a distortion correction is used to adjust the tilt images to flat image. Finally, image processing methods are used to retrieve the robot location coordinates. Those data can establish the path information of cleaning robot. In addition, variety of simple or complex experimental field with different sizes and environment barriers are used to analyze the coverage and repetition rate of cleaning robots. The experimental results show that the path analysis method used in this study can effectively learn the cleaning robot path information. The approach proposed can provide high accuracy and credibility for research in robot coverage. Keyword:lens calibration, distortion correction, complete coverage path planning, repetition rate, cleaning robot, path analysis and visual measurement. ii

7 誌 謝 時 光 飛 逝, 在 論 文 完 成 的 那 一 刻 起, 也 代 表 著 研 究 所 生 涯 即 將 告 一 段 落 這 兩 年 的 求 學 期 間 最 要 感 謝 我 的 指 導 教 授 陳 智 勇 博 士 無 論 在 專 業 領 域 或 是 處 事 態 度 的 教 導 皆 讓 我 獲 益 良 多 同 時 要 感 謝 樹 德 科 技 大 學 電 通 系 顏 錦 柱 教 授 及 義 守 大 學 電 機 系 黃 瑞 初 教 授, 在 百 忙 之 中 撥 空 擔 任 口 試 委 員, 給 予 學 生 寶 貴 的 建 議, 使 本 論 文 更 臻 充 實 完 善 另 外 要 感 謝 實 驗 室 的 仁 賓 光 正 佳 運 學 長, 在 研 究 及 論 文 給 我 許 多 的 建 議, 也 要 感 謝 在 這 兩 年 的 好 夥 伴 奕 寰 以 及 學 弟 霆 皓 佳 鴻 碩 彥 運 康 等 學 弟 們 一 起 共 同 分 擔 實 驗 室 的 工 作, 讓 我 感 受 到 團 隊 合 作 的 力 量 同 時 要 感 謝 研 究 所 的 同 學 們 和 群 企 業 的 大 學 同 學 們 嘉 義 的 朋 友 們, 感 謝 你 們 陪 我 度 過 這 苦 悶 的 研 究 生 涯, 當 然 最 重 要 的 要 感 謝 每 天 陪 著 我 聊 天 聽 我 抱 怨 的 柔 吟, 謝 謝 妳, 也 辛 苦 妳 這 兩 年 的 研 究 生 涯, 最 大 的 遺 憾 是 來 不 及 讓 阿 公 阿 嬤 看 到 我 完 成 碩 士 學 位, 現 在 我 想 跟 祢 們 說 恁 的 孫 仔 育 昇, 已 經 完 成 碩 士 學 位 矣 在 此, 我 要 將 我 的 論 文 獻 給 我 最 親 愛 的 家 人, 感 謝 我 的 家 人, 在 這 兩 年 的 支 持, 有 家 人 的 支 持 是 我 堅 持 的 原 動 力, 即 使 遇 到 挫 折 與 困 難 都 可 以 迎 刃 而 解, 才 能 完 成 本 論 文 最 後, 感 謝 這 一 路 上 曾 經 幫 助 過 我 的 人, 謝 謝 你 們, 謝 謝 林 育 昇 謹 誌 于 樹 德 科 技 大 學 電 腦 與 通 訊 研 究 所 中 華 民 國 一 百 零 一 年 六 月 iii

8 目 錄 中 文 摘 要 英 文 摘 要 致 謝 目 錄 表 目 錄 圖 目 錄... i... ii... iii...iv... vi... vii 第 一 章 緒 論 研 究 背 景 研 究 動 機 與 目 的 論 文 架 構... 3 第 二 章 文 獻 探 討 清 潔 機 器 人 發 展 現 況 清 潔 機 器 人 介 紹 各 式 掃 地 機 器 人 功 能 參 數 比 較 全 域 覆 蓋 路 徑 規 畫 概 述 全 域 覆 蓋 路 徑 演 算 法 機 器 人 避 障 方 法 介 紹 鏡 頭 校 正 相 關 研 究 第 三 章 清 潔 機 器 人 運 行 模 式 探 討 一 般 清 潔 機 器 人 行 走 模 式 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式 沿 牆 模 式 隨 機 模 式 螺 旋 模 式 多 角 形 模 式 第 四 章 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 概 述 鏡 頭 校 正 鏡 頭 校 正 原 理 二 維 影 像 深 度 計 算 iv

9 4.2.3 相 機 成 像 模 型 透 視 投 影 相 機 參 數 變 形 校 正 取 得 影 像 邊 緣 輪 廓 Radon Transform 縱 橫 比 計 算 變 形 調 校 機 器 人 路 徑 分 析 軟 體 數 位 影 像 處 理 定 義 鄰 域 處 理 (Neighborhood Processing) 邊 緣 偵 測 二 值 化 概 念 形 態 學 影 像 處 理 背 景 相 減 法 覆 蓋 率 計 算 方 式 第 五 章 實 驗 與 模 擬 結 果 視 覺 化 量 測 實 驗 結 果 鏡 頭 校 正 結 果 變 形 校 正 結 果 清 潔 機 器 人 路 徑 分 析 - 無 障 礙 物 環 境 量 測 結 果 清 潔 機 器 人 路 徑 分 析 - 模 擬 家 庭 環 境 量 測 結 果 模 擬 結 果 討 論 第 六 章 結 論 與 未 來 研 究 方 向...97 參 考 文 獻 v

10 表 目 錄 表 一 : 清 潔 機 器 人 功 能 比 較 表 表 二 : 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 三 : 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 四 : 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 五 : 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 六 : 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 七 : 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 八 : 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 九 : 六 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 十 : 七 乘 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 十 一 : 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 十 二 : 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 十 三 : 梯 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 表 十 四 : 無 障 礙 地 形 平 均 路 徑 數 據 表 十 五 : 模 擬 家 庭 環 境 路 徑 平 均 數 據 vi

11 圖 目 錄 圖 1 irobot 570 燈 塔 設 置 ( 資 料 來 源 :Vacuum Cleaner Reviews)... 5 圖 2 清 潔 機 器 人 隨 機 搜 尋 示 意 圖... 5 圖 3 irobot Roomba 570 清 潔 機 器 人... 7 圖 4 趴 趴 走 清 潔 機 器 人... 7 圖 5 Samsung NaviBot 清 潔 機 器 人... 8 圖 6 irobot Create 教 學 模 組 機 器 人... 9 圖 7 AGAMA AiBOT RC520A 清 潔 機 器 人... 9 圖 8 AGAiT 易 管 家 EC MINI 清 潔 機 器 人 圖 9 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式 圖 10 沿 牆 模 式 圖 11 隨 機 模 式 圖 12 螺 旋 模 式 圖 13 多 角 形 模 式 圖 14 桶 狀 變 形 圖 15 枕 狀 變 形 圖 16 Epipolar 面 立 體 成 像 圖 圖 17 立 體 成 像 幾 何 圖 圖 18 透 視 投 影 示 意 圖 圖 19 Radon Transform 定 義 示 意 圖 圖 20 光 學 成 像 數 學 模 型 圖 21 成 像 區 域 平 面 圖 22 鄰 域 處 理 示 意 圖 圖 23 集 合 理 論 圖 24 大 區 塊 與 小 區 塊 對 稱 結 構 元 素 膨 脹 示 意 圖 圖 25 大 區 塊 與 小 區 塊 對 稱 結 構 元 素 侵 蝕 示 意 圖 圖 26 斷 開 運 算 示 意 圖 圖 27 閉 合 運 算 示 意 圖 圖 28 鏡 頭 校 正 程 式 畫 面 圖 29 變 形 校 正 程 式 畫 面 圖 30 路 徑 分 析 軟 體 程 式 畫 面 圖 31 桶 狀 變 形 圖 32 鏡 頭 校 正 後 影 像 vii

12 圖 33 鏡 頭 校 正 實 驗 結 果 圖 34 變 形 校 正 前 圖 35 變 形 校 正 後 圖 36 變 形 校 正 實 驗 結 果 圖 37 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 圖 38 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 39 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 圖 40 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 圖 41 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 圖 42 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 43 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 圖 44 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 45 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 圖 46 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 47 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 圖 48 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 圖 49 模 擬 家 庭 環 境 設 置 圖 圖 50 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 圖 51 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 52 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 運 行 路 徑 圖 53 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 機 器 人 覆 蓋 率 圖 54 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 運 行 路 徑 圖 55 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 機 器 人 覆 蓋 率 圖 56 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 圖 57 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 58 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 圖 59 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 圖 60 梯 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 圖 61 梯 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 viii

13 第 一 章 緒 論 1.1 研 究 背 景 近 年 來 分 析 各 國 研 究 報 告 與 世 界 各 大 機 器 人 廠 商 所 發 表 的 技 術 藍 圖, 機 器 人 無 論 在 理 論 或 應 用 上 都 有 相 當 程 度 的 發 展, 在 各 種 機 器 人 中, 無 論 在 工 業 航 空 軍 事 及 家 用 服 務 型 等 各 領 域 的 應 用 及 發 展 都 越 來 越 成 熟, 相 關 技 術 整 合 亦 不 斷 提 升, 機 器 人 大 多 從 事 組 裝 檢 測 運 輸 清 潔 保 全 救 援 數 據 採 集 等 工 作 [1], 其 大 多 具 備 自 主 移 動 的 能 力, 未 來 也 將 朝 向 智 慧 化, 整 合 更 多 功 能 的 方 向 前 進 在 未 來, 家 庭 服 務 型 機 器 人 是 最 具 有 未 來 市 場 潛 力, 加 上 目 前 智 慧 型 通 訊 手 機 已 成 為 市 場 主 流, 結 合 網 路 的 家 庭 服 務 機 器 人, 更 可 說 是 一 種 居 家 使 用 的 資 訊 家 電, 使 其 具 備 人 工 智 慧 與 更 多 人 性 化 的 功 能, 機 器 人 系 統 中 結 合 許 多 理 論 於 實 務 基 礎 的 產 物, 如 控 制 工 程 人 工 智 慧 電 力 電 子 機 械 工 程 工 業 設 計 計 算 機 設 計 等, 研 究 領 域 包 含 避 障 功 能 路 徑 規 畫 影 像 視 覺 技 術 語 音 聲 控 技 術 地 板 清 潔 防 掉 落 技 術 回 充 功 能 電 力 系 統 伺 服 控 制 等 等 這 些 清 潔 機 器 人 各 種 技 術 正 以 穩 定 的 速 度 發 展, 而 人 們 對 於 清 潔 機 器 人 的 需 求 也 將 日 益 漸 增, 其 中 清 潔 機 器 人 清 潔 效 率 以 及 高 覆 蓋 率 路 徑 亦 是 當 前 研 發 重 點 目 標 之 一, 如 何 提 升 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率, 減 少 路 徑 重 覆 率 也 是 目 前 清 潔 機 器 人 發 展 中 相 當 關 注 的 功 能, 在 目 前 市 售 清 潔 機 器 人 皆 強 調 其 具 有 高 效 率 的 清 潔 功 能, 卻 無 任 何 科 學 數 據 足 以 佐 證 以 及 比 較 1

14 1.2 研 究 動 機 與 目 的 在 全 球 各 家 廠 牌 的 清 潔 機 器 人 中, 大 多 數 強 調 自 身 的 清 潔 機 器 人 可 以 有 效 率 的 完 成 居 家 清 掃 工 作, 但 使 用 者 無 法 從 商 品 資 訊 中 得 知 清 潔 機 器 人 清 掃 之 效 率 以 及 效 能, 雖 然 過 去 的 研 究 [2][3][4] 中, 利 用 機 器 人 運 作 模 擬 軟 體 來 模 擬 清 潔 機 器 人 在 家 中 清 潔 時 之 情 形, 藉 以 計 算 其 覆 蓋 率, 但 機 器 人 模 擬 情 況 與 實 際 情 況 會 有 所 差 異, 其 機 械 狀 態 也 是 軟 體 模 擬 無 法 準 確 掌 握 機 器 人 覆 蓋 率 量 測 至 今 尚 未 有 較 成 熟 的 覆 蓋 率 計 算 公 式 及 方 法 日 前 有 多 種 方 法 進 行 機 器 人 運 行 量 測, 如 利 用 影 像 記 錄 方 式 呈 現 機 器 人 真 實 情 況, 但 大 多 都 因 攝 影 器 材 位 置 擺 放 以 及 鏡 頭 所 造 成 的 畸 變 變 形 等 問 題 無 法 克 服, 而 無 進 一 步 的 發 展 因 此 本 論 文 研 究 提 出 使 用 影 像 處 理 的 方 式, 以 影 片 格 式 拍 攝, 可 隨 時 掌 握 機 器 人 目 前 位 置, 進 而 計 算 掃 地 機 器 人 實 際 的 覆 蓋 率 本 評 估 軟 體 預 期 將 影 片 拆 解 為 多 張 影 像, 再 以 鏡 頭 校 正 及 變 形 校 正 演 算 法 將 影 像 修 正 因 鏡 頭 及 拍 攝 角 度 的 幾 何 變 形, 並 辨 識 機 器 人 所 在 位 置, 還 原 至 直 角 座 標 進 而 取 得 機 器 人 路 徑 分 析 資 料 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 架 構 包 含 : 鏡 頭 校 正 演 算 法 變 形 校 正 演 算 法 以 及 機 器 人 路 徑 分 析 軟 體, 透 過 上 述 三 大 架 構 方 法, 達 成 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 本 論 文 研 究 方 法 可 計 算 出 最 接 近 清 潔 機 器 人 在 真 實 環 境 運 作 時 實 際 整 體 覆 蓋 率 2

15 1.3 論 文 架 構 本 論 文 主 旨 於 利 用 影 像 處 理 架 構 下, 透 過 鏡 頭 校 正 變 形 校 正 以 及 路 徑 分 析 軟 體 來 達 成 影 像 量 測, 實 現 清 潔 機 器 人 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 以 及 覆 蓋 率 分 析, 其 主 要 章 節 敘 述 如 下 : 第 一 章 緒 論 : 說 明 本 篇 論 文 之 研 究 背 景 研 究 動 機 研 究 目 的 以 及 論 文 架 構 第 二 章 文 獻 探 討 : 說 明 目 前 清 潔 機 器 人 發 展 現 況, 以 及 關 於 其 關 鍵 技 術 介 紹, 如 全 域 覆 蓋 路 徑 演 算 法 概 述 機 器 人 避 障 方 法 及 原 理, 以 及 鏡 頭 校 正 相 關 研 究 發 展 第 三 章 清 潔 機 器 人 運 行 模 式 探 討 : 探 討 清 潔 機 器 人 路 徑 模 式, 分 析 各 機 器 人 路 徑 模 式 其 優 缺 點 第 四 章 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 : 介 紹 本 論 文 研 究 所 建 構 之 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 軟 體 介 面, 並 說 明 影 像 處 理 之 方 法 第 五 章 實 驗 模 擬 結 果 : 首 先 對 於 鏡 頭 產 生 的 枕 狀 變 形 或 桶 狀 變 形 進 行 校 正, 對 各 家 廠 牌 清 潔 機 器 人 實 行 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 實 驗, 透 過 路 徑 分 析 軟 體 得 知 各 廠 牌 機 器 人 行 走 模 式 以 及 覆 蓋 率 分 析, 最 後 探 討 計 算 之 結 果 與 討 論 第 六 章 結 論 與 未 來 展 望 : 說 明 本 篇 論 文 之 結 論 以 及 未 來 研 究 方 向 3

16 第 二 章 文 獻 探 討 在 第 二 章 文 獻 探 討 中, 我 們 將 介 紹 清 潔 機 器 人 相 關 研 究 可 大 致 上 分 為 全 域 路 徑 規 畫 偵 測 障 礙 物 避 障 系 統 以 及 清 潔 模 式 導 航 等 功 能 在 機 器 人 運 作 路 徑 分 析 與 控 制 的 系 統 設 計 中, 首 要 目 標 為 控 制 機 器 人 可 在 最 短 時 間 或 路 徑 內, 完 成 全 域 覆 蓋 路 徑 規 劃, 且 在 運 作 時 實 現 避 障 功 能, 在 目 前 有 許 多 相 關 研 究 中, 都 將 這 些 功 能 作 為 清 潔 機 器 人 首 要 達 成 的 功 能 目 標 此 外 在 此 章 節 中, 我 們 也 討 論 目 前 關 於 鏡 頭 校 正 的 相 關 研 究 報 告, 提 供 本 論 文 研 究 更 多 可 參 考 的 研 究 發 展 及 方 法 2.1 清 潔 機 器 人 發 展 現 況 在 清 潔 機 器 人 清 掃 模 式 中, 各 家 清 潔 機 器 人 廠 牌 發 展 出 各 式 清 潔 模 式, 其 清 潔 模 式 分 類 如 牛 耕 (S 形 ) 模 式 沿 牆 壁 模 式 隨 機 行 走 模 式 螺 旋 模 式 多 角 形 模 式 等, 使 用 者 可 以 依 據 欲 清 潔 區 域 選 擇 清 潔 機 器 人 清 掃 模 式 但 在 清 潔 機 器 人 運 行 移 動 法 則 中, 無 法 隨 地 形 自 動 變 換 清 潔 模 式, 容 易 造 成 清 潔 機 器 人 在 清 掃 過 程 中 受 困 死 角 無 法 順 利 運 行 的 情 況, 也 無 法 在 短 時 間 內 有 效 率 完 成 欲 清 潔 區 域 的 清 潔 工 作, 當 機 器 人 清 潔 效 率 不 佳 受 困 於 死 角 或 遺 漏 未 清 潔 區 域 時, 還 是 須 依 照 使 用 者 的 經 驗 法 則 人 工 切 換 其 清 潔 模 式, 或 者 以 手 動 遙 控 方 式 來 達 成 清 潔 效 果 為 有 效 解 決 此 類 問 題, 以 irobot 清 潔 機 器 人 為 例, 其 使 用 紅 外 線 發 射 的 方 式, 設 置 電 子 牆 (Wall Light) 或 燈 塔 (Light House) 在 欲 清 潔 區 域, 如 下 圖 1 所 示, 以 辨 識 機 器 人 路 徑 區 域 以 及 記 錄 清 潔 區 域, 以 達 成 高 效 率 的 清 潔 工 作 4

17 圖 1 irobot 570 燈 塔 設 置 ( 資 料 來 源 :Vacuum Cleaner Reviews) 以 建 置 電 子 牆 或 燈 塔 來 記 錄 清 潔 機 器 人 所 清 潔 的 區 域, 雖 然 可 經 由 記 錄 來 增 加 其 清 潔 範 圍 以 及 提 高 自 動 回 充 電 站 的 可 能 性, 以 機 率 性 的 方 法 解 決 清 潔 效 率, 但 清 潔 機 器 人 仍 使 用 隨 機 方 式 來 搜 尋 使 用 者 所 設 置 的 燈 塔 位 置, 當 搜 尋 當 中 若 碰 撞 到 各 式 障 礙 物, 即 會 增 加 搜 尋 不 到 燈 塔 的 機 會, 降 低 其 清 掃 效 率, 甚 至 無 法 回 充 電 站 等 問 題 機 器 人 在 未 知 的 環 境 中, 如 果 可 以 獲 得 自 身 定 位 位 置 以 及 室 內 地 形 配 置, 就 有 可 能 可 提 升 其 清 掃 效 率 以 及 回 充 電 站 等 問 題, 這 也 是 目 前 在 清 潔 機 器 人 研 究 發 展 中 相 當 重 要 的 課 題 之 一 如 下 圖 2 所 示, 清 潔 機 器 人 可 能 因 為 碰 撞 障 礙 物, 導 致 無 法 完 成 所 需 清 潔 的 區 域 清 潔 區 域 燈 塔 障 礙 物? Robot 圖 2 清 潔 機 器 人 隨 機 搜 尋 示 意 圖 5

18 近 年 來 以 具 有 自 主 行 動 能 力 的 移 動 清 潔 機 器 人, 其 控 制 方 式 與 行 動 能 力 不 斷 地 研 究 及 改 良, 在 居 家 清 潔 機 器 人 研 究 是 未 來 重 要 的 發 展 趨 勢, 經 濟 部 工 業 局 預 估,2010 年 台 灣 機 器 人 產 業 產 值 有 新 台 幣 450 億 元 實 力, 至 2015 年 可 望 增 至 2500 億 元 根 據 國 際 機 器 人 聯 盟 (IFR) 估 計,2006 年 至 2009 年, 全 球 人 工 智 慧 型 的 事 務 型 機 器 人 將 有 近 400 萬 台 的 銷 售 量, 平 均 每 年 100 萬 台, 並 穩 定 高 幅 度 成 長 2.2 清 潔 機 器 人 介 紹 在 目 前 清 潔 機 器 人 已 是 販 售 中 的 商 品, 在 本 論 文 實 驗 結 果 的 數 據 中, 使 用 了 六 台 市 面 上 所 販 售 的 清 潔 機 器 人 以 及 一 台 本 實 驗 室 所 自 行 研 發 的 清 潔 機 器 人, 依 照 世 界 各 國 所 設 計 的 清 潔 機 器 人 來 分 析 其 運 作 原 理 以 及 行 走 方 式, 詳 細 說 明 可 參 考 文 獻 [5], 其 摘 錄 與 介 紹 如 下 : irobot Roomba 570 irobot 為 美 國 專 業 設 計 機 器 人 的 開 發 公 司 [6], 該 公 司 開 發 出 的 Roomba 掃 地 機 已 有 改 版 多 年 的 歷 史, 除 了 專 利 掃 刷 設 計 及 吸 塵 機 構 設 計 外, 圓 型 的 掃 地 機 型 成 為 了 往 後 的 掃 地 機 器 人 外 型 的 設 計 的 參 考 典 範, 然 而 避 障 的 方 式 使 用 紅 外 線 偵 測 障 礙 物 的 距 離, 偵 測 到 物 體 後 並 減 緩 速 度 行 徑, 並 確 定 碰 撞 的 保 桿 碰 觸 到 障 礙 物 後 才 判 斷 是 障 礙 物 或 牆 面, 進 行 閃 避 或 其 他 的 規 劃 清 掃 方 式, 依 據 邏 輯 計 算 清 掃 區 域 大 小 並 自 動 計 算 清 掃 時 間 及 路 徑 如 下 圖 3 所 示 6

19 圖 3 irobot Roomba 570 清 潔 機 器 人 趴 趴 走 RV-13 趴 趴 走 RV-13 如 圖 4, 為 台 灣 松 藤 實 業 所 設 計 出 的 吸 塵 機 器 人 [7], 松 藤 實 業 將 智 慧 行 走 模 式 設 計 於 其 中, 包 含 : 隨 機 自 走 式 橢 圓 形 走 式 沿 牆 巡 航 遊 走 式 Z 字 型 走 式 方 式, 利 用 紅 外 線 遙 控 功 能, 微 調 機 器 人 控 制 方 向 左 右 角 度, 另 外 兩 側 旋 轉 毛 刷 增 加 清 潔 範 圍, 靜 電 除 塵 紙 也 有 擦 地 功 能, 還 有 獨 特 的 回 充 電 站 專 利, 弱 電 時 或 當 時 間 程 式 走 完, 機 器 人 會 自 動 回 到 充 電 站 充 電 以 持 續 沿 牆 的 行 徑 方 式 找 到 充 電 站, 但 避 障 的 方 式 完 全 依 賴 前 方 的 防 撞 保 桿, 必 須 以 碰 撞 的 方 式 得 知 前 方 是 否 有 障 礙 物, 機 器 人 才 能 繼 續 規 畫 清 掃 路 徑 圖 4 趴 趴 走 清 潔 機 器 人 7

20 Samsung NaviBot Samsung NaviBot 為 韓 國 三 星 電 子 所 生 產 的 掃 地 機 器 人 [8], 如 圖 5 所 示, 此 機 器 人 加 入 Auto Dust Emptying 自 動 排 塵 功 能, 當 集 塵 盒 需 要 清 除 積 塵 時 會 聰 明 地 回 到 充 電 座, 將 其 集 塵 袋 清 空 至 中 央 集 塵 盒, 重 新 充 電 並 可 再 次 進 行 清 掃 動 作, 完 全 自 動 化 在 清 掃 模 式 方 面, 機 器 人 使 用 導 航 系 統 的 相 機 與 感 應 器 記 憶 目 前 已 清 掃 區 域, 所 以 當 充 電 與 自 動 維 護 動 作 完 成 後, 機 器 裝 置 就 能 夠 啟 動 並 完 成 清 掃 工 作 使 用 內 建 相 機 與 新 一 代 先 進 感 應 器 如 紅 外 線 偵 側, 描 繪 家 中 地 圖, 以 內 建 相 機 每 秒 拍 下 三 十 格 影 像, 繪 出 家 中 的 地 圖, 並 規 劃 最 佳 路 線 以 覆 蓋 全 範 圍, 達 成 更 有 效 率 的 清 掃 模 式 圖 5 Samsung NaviBot 清 潔 機 器 人 irobot Create irobot Create 為 irobot 公 司 所 生 產 的 教 學 模 組, 圖 6 所 示, 其 不 需 要 任 何 組 裝 即 可 以 開 始 控 制 機 器 人, 可 由 PC 端 發 出 指 令 或 是 增 加 多 功 能 可 程 式 化 的 命 令 模 組 直 接 控 制 其 模 組 內 建 十 個 可 展 示 的 運 行 模 式 動 作, 其 配 件 與 功 能 性 完 全 與 irobot Roomba 相 容, 包 括 運 行 模 式 充 電 電 池 電 源 供 應 設 備 Home Base 遙 控 器 虛 擬 牆 等 配 件 8

21 圖 6 irobot Create 教 學 模 組 機 器 人 AGAMA AiBOT RC520A AiBOT 清 潔 機 器 人 [9], 圖 7 所 示, 其 產 品 強 調 機 器 人 掃 刷 直 徑 清 潔 範 圍 達 32 公 分, 具 有 預 約 定 時 啟 動 清 潔 工 作 的 功 能, 清 潔 模 式 有 Z 字 型 模 式 沿 牆 模 式 螺 旋 模 式 隨 機 模 式 四 種 清 潔 模 式, 適 合 於 各 種 材 質 地 板 進 行 清 掃, 如 地 毯 亞 麻 毯 木 板 磁 磚 與 大 理 石 在 避 障 方 面, 跨 越 障 礙 設 計, 可 排 除 電 線 及 地 毯 等 障 礙 物, 以 紅 外 線 感 應 裝 置 可 防 止 機 器 人 在 運 作 時 掉 落 階 梯, 並 設 置 抹 布 功 能, 清 潔 同 時 可 將 細 微 灰 塵 一 併 清 除 圖 7 AGAMA AiBOT RC520A 清 潔 機 器 人 9

22 AGAiT 易 管 家 EC MINI 易 管 家 清 潔 機 器 人 是 由 凌 海 科 技 所 生 產 [10], 如 圖 8 所 示, 其 產 品 特 性 為, 沒 有 過 多 的 彎 曲 加 上 超 薄 的 設 計, 取 代 直 立 吸 塵 器 輕 鬆 地 清 潔 像 床 底 等 無 法 到 達 地 方, 清 潔 模 式 預 設 為 三 種 人 工 智 能 行 走 模 式, 以 光 電 傳 感 器 可 以 探 測 防 掉 落, 加 長 的 雙 圓 形 側 刷, 增 加 清 潔 面 積 及 效 率, 以 One Touch 操 作 介 面, 可 以 簡 單 操 作, 運 行 中 如 遇 到 障 礙 物, 機 器 人 卡 住 時 會 自 動 停 止, 並 發 出 提 示 音 圖 8 AGAiT 易 管 家 EC MINI 清 潔 機 器 人 10

23 2.3 各 式 掃 地 機 器 人 功 能 參 數 比 較 表 一 : 清 潔 機 器 人 功 能 比 較 表 功 能 型 號 irobot Roomba 570 趴 趴 走 RV-13 AGAiT 易 管 家 Samsung NaviBot AGAMA AiBOT 障 礙 物 偵 測 紅 外 線 無 無 紅 外 線 紅 外 線 碰 撞 感 測 碰 撞 保 桿 碰 撞 保 桿 碰 撞 保 桿 碰 撞 保 桿 碰 撞 保 桿 燈 塔 / 虛 擬 牆 紅 外 線 燈 塔 無 無 感 應 磁 條 無 越 障 高 度 9 cm 2.5cm 2.5cm 6cm 3cm 清 掃 行 徑 隨 機 / 螺 旋 沿 邊 隨 機 / 螺 旋 隨 機 / 螺 旋 牛 耕 / 方 型 沿 邊 隨 機 / 螺 旋 沿 邊 /Z 字 型 清 掃 規 劃 演 算 法 規 劃 清 掃 方 式 隨 機 清 掃 隨 機 清 掃 影 像 辨 識 區 域 性 規 畫 隨 機 清 掃 其 他 專 利 掃 刷 多 項 專 利 價 格 低 廉 價 格 低 廉 行 徑 距 離 影 像 佈 建 路 徑 價 格 中 上 由 前 述 章 節 可 以 得 知, 目 前 清 潔 機 器 人 研 究 發 展 中, 所 遭 遇 到 的 問 題 如 下 : (1) 非 接 觸 式 避 障 在 目 前 清 潔 機 器 人 非 接 觸 式 避 障 技 術 中, 大 部 份 的 機 器 人 都 採 用 紅 外 線 與 超 音 波 偵 測 技 術, 但 紅 外 線 會 因 物 體 反 射 特 性 不 同 而 導 致 紅 外 線 訊 號 接 收 失 敗, 而 超 音 波 偵 測 部 分, 因 為 音 波 速 度 較 慢, 在 反 射 物 體 上 會 形 成 回 音 誤 判 的 現 象 (2) 接 觸 式 避 障 在 接 觸 式 避 障 技 術 中, 避 障 緩 衝 器 (Bumper) 是 目 前 清 潔 機 器 人 最 常 使 用 的 接 觸 式 避 障 感 測 方 法, 但 緩 衝 器 為 一 般 機 械 裝 置, 容 易 因 為 不 當 外 力 或 是 經 常 性 使 用 而 損 壞, 而 在 接 觸 障 礙 物 時 更 容 易 因 為 碰 撞 而 推 倒 家 具 等 物 品, 此 機 構 設 計 雖 然 11

24 簡 單, 但 因 避 障 緩 衝 器 外 型 涵 蓋 機 器 人 前 端 部 分, 也 會 增 加 機 器 人 在 外 型 設 計 上 的 困 難 等 缺 點 (3) 地 形 因 素 在 目 前 台 灣 家 庭 環 境 中, 室 內 空 間 並 不 是 相 當 寬 闊, 若 清 潔 機 器 人 進 入 一 狹 小 空 間, 只 有 單 一 出 入 口 時, 機 器 人 皆 是 使 用 隨 機 模 式 來 離 開, 但 離 開 此 清 潔 區 域 的 機 會 較 小, 若 無 法 順 利 離 開 而 導 致 受 困, 則 必 須 以 人 工 或 手 動 遙 控 的 方 式 來 操 作 機 器 人 離 開 該 清 潔 區 域 (4) 異 物 干 擾 在 清 潔 機 器 人 運 行 時, 在 清 潔 區 域 中 會 有 異 物 干 擾 機 器 人 前 進, 若 遇 到 絞 線 情 況 則 會 導 致 輪 胎 空 轉 清 潔 機 器 人 會 因 為 這 些 干 擾 因 素 而 無 法 繼 續 前 進 或 脫 困, 導 致 清 潔 工 作 無 法 順 利 的 完 成 (5) 回 充 電 站 清 潔 機 器 人 在 低 電 壓 或 打 掃 完 畢 時, 會 自 動 搜 尋 充 電 站 進 行 充 電 目 前 市 面 上 大 部 分 清 潔 機 器 人 所 使 用 的 方 法 為 搜 尋 充 電 站 所 發 出 的 紅 外 線, 機 器 人 會 以 沿 牆 壁 模 式 或 隨 機 模 式 來 搜 尋 紅 外 線 訊 號, 但 是 如 所 在 區 域 空 間 過 大 或 障 礙 物 太 多 時, 會 增 加 搜 尋 的 困 難 度, 甚 至 無 法 達 成 回 充 電 站 的 工 作 12

25 2.4 全 域 覆 蓋 路 徑 規 畫 概 述 全 域 覆 蓋 路 徑 規 劃 是 清 潔 機 器 人 必 須 具 備 的 基 本 功 能, 目 的 在 於 以 最 短 路 徑 最 小 累 積 旋 轉 角 度 最 少 重 覆 路 徑 與 最 大 覆 蓋 面 積 在 具 有 障 礙 物 的 清 潔 環 境 中, 依 照 機 器 人 各 種 全 域 覆 蓋 路 徑 演 算 法, 達 成 高 效 率 清 潔 功 能 則 此 功 能 定 義 為 全 域 覆 蓋 路 徑 規 劃 (Complete Coverage Path Planning) 全 域 覆 蓋 路 徑 演 算 法 全 域 路 徑 規 劃 演 算 法 為 清 潔 機 器 人 中 最 為 常 見 的 路 徑 規 劃 方 法, 目 前 已 有 許 多 應 用 於 此 的 演 算 法, 如 Pirzadeh 等 人 [11] 使 用 人 造 位 能 場 (Potential Field) 達 成 地 圖 空 間 覆 蓋 與 搜 尋 問 題, 但 其 缺 點 為 機 器 人 容 易 產 生 振 盪 現 象 (oscillation) 或 陷 入 局 部 最 小 點 (local minimum point) 中 ;Choset[12][13][14] 提 出 牛 耕 式 (Boustrophedon) 格 點 分 解 法 來 覆 蓋 整 個 地 圖 空 間, 且 可 針 對 非 結 構 性 的 障 礙 物 周 圍 清 潔, 其 方 法 簡 單 且 容 易 實 現 在 空 曠 區 域 的 搜 尋 覆 蓋 率 為 最 高, 因 此 許 多 機 器 人 區 域 搜 尋 的 應 用 都 採 用 此 方 法 ( 例 如 : 水 底 探 測 機 器 人 [15] 六 足 探 測 機 器 人 [16]) 因 為 此 方 法 容 易 受 到 障 礙 物 阻 隔 而 打 亂 搜 尋 路 線, 而 學 者 Howie 也 提 出 了 改 良 的 牛 耕 搜 尋 法 [17];Zelinsky 等 人 [18][19] 利 用 格 點 分 解 法 (Cells Decomposition) 與 距 離 轉 換 法 (Distance Transform) 來 進 行 全 域 覆 蓋 路 徑 規 劃, 此 演 算 法 可 指 定 機 器 人 起 始 位 置 及 終 點 位 置, 但 其 路 徑 彎 曲 未 能 達 到 最 佳 化 效 果 ;Oh 等 人 [20][21] 則 利 用 三 角 格 點 (Triangular Cell) 取 代 矩 形 格 點, 利 用 移 動 樣 板 (Motion Template) 進 行 路 徑 規 劃, 使 移 動 方 向 由 8 種 增 加 為 12 種, 方 向 增 加 可 縮 短 行 走 距 離 以 及 避 障 較 為 靈 活, 但 環 境 複 雜 度 會 增 加, 演 算 速 度 相 對 也 會 增 加 ;Yang 等 人 [22][23][24] 則 是 提 出 類 神 經 13

26 網 路 (Neural Network) 來 規 劃 行 進 路 線, 使 用 神 經 網 路 學 習 環 境 特 徵, 建 立 工 作 環 境 地 圖, 讓 機 器 人 在 已 知 環 境 全 域 搜 尋 同 時 機 器 人 必 須 使 用 特 定 設 備, 以 採 集 工 作 環 境 的 必 要 資 訊 ( 例 如 : 全 向 鏡 視 覺 設 備 在 高 處 架 設 攝 影 機 ), 而 此 類 設 備 需 提 高 生 產 成 本, 同 時 神 經 網 路 的 複 雜 運 算 也 增 加 硬 體 實 現 的 困 難 度, 因 此 在 實 際 應 用 上 較 困 難 ;Juang 等 人 [25][26] 提 出 沿 牆 搜 尋 法 (Wall Following Approach) 行 徑 以 牆 面 為 參 考, 沿 著 牆 面 或 障 礙 物 搜 尋, 其 搜 尋 法 則 單 純, 容 易 受 困 於 牆 面 與 障 礙 物 中 市 售 產 品 大 多 提 供 此 模 式 供 使 用 者 選 擇, 只 適 用 於 特 定 區 域 清 掃 機 器 人 避 障 方 法 介 紹 清 潔 機 器 人 在 運 行 行 徑 路 線 中, 如 何 避 開 障 礙 物 的 方 法 已 被 許 多 學 者 提 出 [27][28], 避 障 條 件 分 為 已 知 環 境 與 未 知 環 境 兩 種 居 家 掃 地 機 器 人 大 部 分 工 作 於 室 內 環 境, 如 客 廳 廚 房 臥 房 等, 這 些 環 境 的 擺 設 變 動 性 較 高, 在 目 前 市 面 上 的 清 潔 機 器 人 避 障 技 術 中, 本 論 文 列 舉 出 數 種 常 用 的 技 術, 乃 針 對 未 知 的 工 作 環 境 來 設 計 許 多 相 關 研 究 都 建 立 在 已 知 的 環 境 中, 對 於 在 未 知 環 境 中 避 障, 需 探 索 未 知 的 環 境, 並 建 立 座 標 系 統 或 區 域 方 位, 其 相 關 的 避 障 技 術 如 下 : (1) 影 像 視 覺 避 障 (Vision-based) 影 像 視 覺 避 障 [29] 可 使 用 在 清 潔 機 器 人, 裝 置 攝 影 機 於 機 器 人 上, 由 攝 影 機 擷 取 影 像, 經 由 影 像 處 理 技 術 辨 識 障 礙 物 的 方 向 與 大 小, 但 因 影 像 易 受 到 光 線 及 其 他 因 素 影 響, 造 成 影 像 處 理 效 果 不 佳 同 時 影 像 處 理 須 搭 載 高 效 能 處 理 器, 影 像 處 理 運 算 複 雜 且 耗 時 硬 體 需 求 過 高, 不 符 合 成 本 效 益, 因 此 清 潔 機 器 人 大 多 不 採 用 此 方 法 為 避 障 技 術 14

27 (2) 超 音 波 (Ultrasonic) 使 用 超 音 波 避 障 利 用 其 感 測 器 接 收 反 射 回 來 的 訊 號, 計 算 其 發 射 與 接 收 的 時 間 差 來 取 得 前 方 障 礙 物 體 的 距 離, 但 因 為 超 音 波 特 性 的 關 係, 它 所 發 出 的 訊 號 會 彼 此 干 擾 造 成 距 離 的 誤 判 學 者 Bogdan 提 出 一 個 以 陣 列 型 是 排 序 的 超 音 波 發 射 器 與 接 收 器, 此 方 法 為 依 循 序 的 方 式 發 送 出 超 音 波 訊 號, 偵 測 前 方 障 礙 物 距 離 以 及 大 小, 同 時 多 感 測 器 的 設 計 方 式, 可 以 由 演 算 法 來 排 除 失 真 訊 號 [30] (3) 雷 射 偵 測 (Laser) 使 用 雷 射 測 距 感 測 器 [31] 來 偵 測 方 位 角 度 以 及 障 礙 物 的 距 離, 大 多 用 於 機 器 人 行 進 中 避 障 以 及 環 境 參 數 的 建 立 雷 射 偵 測 特 性 其 發 射 束 較 小, 為 準 確 的 偵 測 全 區 環 境 必 須 耗 費 相 當 多 的 時 間, 且 雷 射 感 測 器 建 置 成 本 較 為 昂 貴, 但 雷 射 感 測 器 是 目 前 相 當 準 確 的 測 距 感 測 器, 所 以 輪 型 機 器 人 研 究 中 常 被 採 用 的 感 測 器 之 一 (4) 紅 外 線 (Infrared) 紅 外 線 [32] 避 障 方 法, 利 用 紅 外 線 反 射 時 間 取 得 障 礙 物 的 距 離, 依 照 此 距 離 作 為 避 障 策 略 的 輸 入 參 數, 其 量 測 值 相 當 精 確 但 若 障 礙 物 顏 色 是 黑 色 系 時, 因 紅 外 線 特 性, 其 紅 外 線 光 會 被 黑 色 系 物 體 所 吸 收, 使 紅 外 線 無 法 量 測, 因 此 限 制 了 紅 外 線 避 障 的 發 展 性, 不 過 學 者 Suolin Duan 為 了 解 決 此 問 題, 提 出 了 整 合 視 覺 與 紅 外 線 的 避 障 技 術 [33], 使 得 紅 外 線 避 障 技 術 有 更 多 的 發 展 性 15

28 2.5 鏡 頭 校 正 相 關 研 究 數 位 影 像 設 備, 如 CCD 照 相 機 攝 影 機 等 經 常 被 應 用 在 許 多 各 式 關 於 影 像 處 理 的 研 究 領 域, 如 Taylor 等 人 在 1998 年 提 出 的 機 器 人 視 覺 [34];Hicks 等 人 在 2005 年 提 出 的 電 腦 視 覺 [35];Murray 等 人 [36] 1994 年 提 出 的 移 動 物 件 的 偵 測 與 追 蹤 以 及 在 2004 年 Lin 等 人 所 提 出 的 立 體 座 標 量 測 [37] 這 些 不 管 是 電 腦 視 覺 或 是 移 動 物 件 的 偵 測 與 追 蹤 都 是 需 要 相 當 高 精 密 度 的 應 用 與 檢 測, 而 影 像 處 理 技 術 中, 鏡 頭 校 正 技 術 在 這 些 研 究 領 域 中 即 佔 有 相 當 關 鍵 的 重 要 技 術 在 鏡 頭 校 正 的 研 究 上, 目 前 有 相 當 多 的 研 究 針 對 克 服 校 正 技 術 上 的 各 種 困 難 以 及 改 善 此 技 術 為 首 要 目 標 而 最 早 提 出 照 相 機 鏡 頭 校 正 是 1971 年 由 Abdel[38] 等 人 提 出, 以 直 接 線 性 轉 換 方 法 應 用 在 鏡 頭 校 正, 此 轉 換 方 法 至 今 仍 有 許 多 工 程 人 員 所 使 用, 但 直 接 線 性 轉 換 法 所 求 出 的 校 正 參 數 並 不 是 獨 立 的,1988 年 Hatze[39] 提 出 在 直 接 線 性 轉 換 法 中, 在 系 統 中 加 入 非 線 性 的 條 件, 可 解 決 直 接 線 性 轉 換 法 並 非 相 互 獨 立 的 問 題 而 在 1992 年 Weng 等 人 [40] 2000 年 Zhang 等 人 [41] 以 及 2003 年 Ma 等 人 [42], 則 提 出 了 許 多 在 直 接 線 性 轉 換 法 中 因 考 慮 透 鏡 而 造 成 畸 變 所 引 起 的 相 關 問 題 Wang[43][44] 分 別 在 2004 年 與 2005 年, 提 出 針 對 多 照 相 機 三 維 座 標 量 測 系 統 提 出 了 校 正 方 法 以 上 提 出 的 研 究 方 法 皆 以 針 孔 成 像 模 型 為 基 礎, 即 以 透 視 投 影 法 來 對 照 相 機 系 統 成 像 進 行 建 模 就 針 孔 成 像 模 型, 我 們 將 相 機 鏡 頭 設 為 一 個 很 小 的 透 鏡, 主 距 離 視 為 定 值, 鏡 心 固 定 在 光 學 中 心, 但 就 實 際 相 機 鏡 頭 而 言, 鏡 頭 中 心 與 主 距 離 會 因 鏡 頭 焦 距 和 入 射 光 線 而 產 生 差 異, 因 此 當 我 們 以 透 視 投 影 法 進 行 光 學 建 模 時, 通 常 會 因 為 成 像 的 誤 差 而 限 制 了 照 相 機 系 統 在 量 測 應 用 上 的 範 圍 與 準 確 性 16

29 第 三 章 清 潔 機 器 人 運 行 模 式 探 討 3.1 一 般 清 潔 機 器 人 行 走 模 式 清 潔 機 器 人 的 路 徑 規 畫, 清 掃 的 模 式 大 致 上 可 以 分 為 下 列 幾 種 : (1) 牛 耕 (S 形 ) 模 式 : 進 行 狹 長 地 形 清 潔 ( 開 放 空 間 或 空 曠 環 境 ) (2) 沿 牆 壁 模 式 : 進 行 牆 角 家 具 等 邊 緣 清 潔 ( 牆 邊 較 髒 的 環 境 ) (3) 隨 機 行 走 模 式 : 移 動 到 其 他 清 潔 區 域 ( 不 規 則 的 環 境 ) (4) 螺 旋 模 式 : 進 行 特 定 區 域 清 潔 ( 開 放 空 間 或 空 曠 環 境 ) (5) 多 角 形 模 式 : 進 行 特 定 區 域 清 潔 ( 開 放 空 間 或 空 曠 環 境 ) (6) 回 充 電 站 模 式 : 機 器 人 低 電 量 自 動 啟 動 此 模 式 而 機 器 人 的 路 徑 規 畫 是 需 要 透 過 地 圖 環 境 資 訊, 來 規 畫 出 最 適 合 清 潔 空 間 的 運 行 模 式, 但 若 是 在 一 個 未 知 的 環 境 地 圖 時, 即 需 要 人 為 操 作 來 選 擇 其 清 潔 模 式, 同 時 感 測 器 輔 助 來 感 應 周 圍 環 境, 建 立 更 完 整 的 環 境 地 圖 資 訊, 才 能 達 到 最 佳 化 的 路 徑 規 畫 17

30 3.1.1 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式 清 潔 機 器 人 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式, 此 模 式 運 行 的 方 式, 當 清 潔 機 器 人 在 運 行 的 過 程 中, 碰 到 障 礙 物 並 且 觸 發 感 測 器 時, 此 時 機 器 人 會 先 順 時 針 旋 轉 90 度, 接 著 直 走 一 小 段 的 距 離, 此 距 離 必 須 依 照 每 個 機 器 人 的 吸 塵 器 吸 口 的 大 小 來 決 定 行 走 的 距 離, 再 順 時 針 旋 轉 90 度 ; 清 潔 機 器 人 繼 續 行 走, 直 至 碰 撞 到 下 一 個 障 礙 物 時, 當 碰 撞 到 障 礙 物 時, 機 器 人 會 轉 向 換 逆 時 針 旋 轉 90 度, 再 直 走 一 小 段 距 離 後, 同 樣 的 此 段 距 離 也 是 依 照 吸 塵 器 吸 口 的 大 小 來 決 定 行 走 的 距 離, 再 逆 時 針 旋 轉 90 度 就 可 以 完 成 牛 耕 ( 之 字 形 ) 路 徑 的 清 潔 模 式 從 過 去 研 究 文 獻 以 及 目 前 市 面 上 各 式 清 潔 機 器 人 的 運 行 模 式 可 以 得 到, 牛 耕 ( 之 字 形 ) 路 徑 的 清 潔 模 式 是 呈 現 最 佳 的 清 潔 效 果 如 下 圖 9 為 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式 示 意 圖 圖 9 牛 耕 ( 之 字 形 ) 模 式 沿 牆 模 式 沿 牆 清 潔 模 式 適 用 於 一 開 始 清 潔 機 器 人 在 家 庭 的 使 用, 由 於 對 居 家 環 境 的 擺 設 位 置 未 知, 所 以 必 須 先 熟 悉 居 家 環 境, 由 沿 牆 模 式 可 以 經 由 沿 牆 行 走, 將 四 周 18

31 的 居 家 環 境 以 及 擺 設 位 置 建 立 一 個 環 境 地 圖 資 訊, 方 便 機 器 人 運 行 時 可 以 馬 上 做 好 路 徑 規 畫 對 一 個 未 知 的 環 境 或 具 有 導 航 功 能 的 清 潔 機 器 人 而 言, 沿 牆 行 走 是 最 基 本 的 清 潔 模 式 當 啟 動 清 潔 機 器 人 時, 起 始 點 可 以 隨 意 設 置, 機 器 人 會 開 始 搜 尋 離 自 己 最 靠 近 的 一 個 平 面 位 置, 然 後 行 進 到 平 面 位 置 最 近 一 點, 開 始 沿 牆 行 走, 在 未 知 的 環 境 下, 須 經 由 感 測 器 測 得 與 平 行 面 的 固 定 距 離 前 進, 持 續 前 進 到 環 繞 一 周 後 遇 到 重 覆 清 潔 路 徑 時, 則 沿 牆 清 潔 模 式 結 束 如 下 圖 10 為 沿 牆 模 式 示 意 圖 圖 10 沿 牆 模 式 隨 機 模 式 隨 機 模 式, 此 模 式 運 行 方 式 為 機 器 人 啟 動 隨 機 模 式 後, 將 會 往 直 線 前 進 行 走, 當 碰 撞 到 任 何 障 礙 物 並 且 觸 發 感 測 器 時, 清 潔 機 器 人 會 任 意 旋 轉 一 個 角 度, 由 於 各 廠 牌 的 清 潔 機 器 人 隨 機 模 式 所 旋 轉 的 角 度 皆 不 盡 相 同, 但 大 致 上 可 以 分 為 45 度 90 度 135 度 以 及 180 度 等, 隨 機 模 式 在 理 論 上 也 能 完 全 覆 蓋 清 掃 區 域, 但 是 由 於 過 多 的 重 覆 路 徑 導 致 清 潔 效 率 不 高 如 下 圖 11 為 隨 機 模 式 示 意 圖 19

32 圖 11 隨 機 模 式 螺 旋 模 式 螺 旋 模 式, 清 潔 機 器 人 會 定 速 螺 旋 行 走, 直 走 時 機 器 人 會 有 向 右 偏 30 度, 左 輪 與 右 輪 的 速 度 不 一 樣, 並 逐 漸 向 外 擴 張 ; 由 於 機 器 人 打 掃 位 置 並 不 一 定, 螺 旋 模 式 可 以 放 置 於 一 定 的 位 置, 或 者 是 要 清 掃 某 部 分 較 為 髒 亂 的 區 域, 為 了 快 速 的 清 掃 此 髒 亂 區 域, 就 可 以 啟 動 螺 旋 模 式 來 清 掃 如 下 圖 12 為 螺 旋 模 式 示 意 圖 圖 12 螺 旋 模 式 20

33 3.1.5 多 角 形 模 式 多 角 形 模 式, 當 啟 動 多 角 型 模 式 時, 機 器 人 會 先 直 線 行 進 一 小 段 距 離 後, 向 右 轉 一 個 角 度, 多 角 型 模 式 與 隨 機 模 式 不 同 的 是, 多 角 形 模 式 會 固 定 行 走 距 離, 轉 彎 方 向 與 轉 彎 角 度 皆 是 固 定 不 會 改 變, 其 清 潔 功 能 模 式 接 近 於 螺 旋 模 式, 皆 可 以 清 掃 固 定 一 處 較 髒 亂 的 地 方 下 圖 13 為 多 角 形 模 式 示 意 圖 圖 13 多 角 形 模 式 21

34 第 四 章 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 4.1 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 概 述 在 目 前 市 售 的 清 潔 機 器 人 中, 所 強 調 的 產 品 功 能 以 及 產 品 特 色, 多 半 只 強 調 其 清 潔 效 果 路 徑 覆 蓋 人 工 智 慧 或 者 是 清 潔 效 率, 其 中 清 潔 效 率 的 部 分, 目 前 為 止 並 沒 有 一 套 完 整 且 具 有 說 服 力 的 公 式 可 以 計 算 出 清 潔 效 率 本 論 文 所 探 討 方 法, 即 是 以 視 覺 化 覆 蓋 率 量 測 的 方 式 來 計 算 機 器 人 整 體 覆 蓋 率, 透 過 鏡 頭 校 正 變 形 校 正 以 及 路 徑 分 析 軟 體, 還 原 地 圖 實 際 環 境, 並 計 算 機 器 人 座 標 中 心 點 位 置, 但 由 於 每 家 廠 牌 清 潔 機 器 人 的 行 走 速 度 不 一, 因 此 我 們 使 用 路 徑 分 析 軟 體 計 算 機 器 人 行 走 距 離, 以 相 同 距 離 比 較 各 家 廠 牌 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 本 論 文 方 法 所 取 得 的 機 器 人 覆 蓋 率 數 據 更 精 確 於 模 擬 軟 體, 因 模 擬 軟 體 無 法 模 擬 機 器 人 機 械 狀 態 以 及 在 真 實 環 境 中 所 發 生 的 實 際 情 況, 所 以 本 方 法 可 以 更 有 效 更 精 確 的 取 得 機 器 人 覆 蓋 率 數 據 4.2 鏡 頭 校 正 一 般 市 面 上 的 數 位 相 機 鏡 頭, 不 同 的 鏡 頭 在 拍 攝 影 像 時 容 易 產 生 變 形, 其 中 超 廣 角 鏡 頭 雖 然 能 創 造 一 般 鏡 頭 無 法 拍 攝 出 的 空 間 感, 但 其 嚴 重 的 桶 狀 變 形 也 是 最 為 人 所 詬 病 的 除 了 遠 近 感 上 的 差 異, 在 不 同 焦 距 的 鏡 頭 成 像 上 還 有 一 種 值 得 一 提 的 差 異 性, 那 就 是 變 形, 其 中 又 以 廣 角 鏡 頭 的 桶 狀 變 形 最 常 被 討 論 鏡 頭 變 形 的 原 因 主 要 來 自 像 差 (Abbreviation), 也 就 是 實 際 成 像 與 理 想 影 像 之 間 的 差 異, 是 由 於 透 鏡 對 色 光 的 彎 曲 能 力 不 同, 使 成 像 點 與 光 軸 距 離 不 同, 其 側 22

35 向 放 大 率 亦 隨 之 不 同 所 造 成 變 形 分 為 有 兩 種, 分 別 為 桶 狀 變 形 枕 狀 變 形 : (1) 桶 狀 變 形 (Barrel Distortion) 亦 可 稱 作 負 變 形 或 者 負 形 扭 曲 (Negative Distortion), 此 種 變 形 是 影 像 成 像 缺 陷, 常 隨 著 廣 角 鏡 頭 的 使 用 而 產 生, 造 成 影 像 有 球 面 或 膨 脹 的 感 覺 桶 狀 變 形 的 影 像, 其 影 像 點 會 隨 著 中 心 點 的 距 離 增 大 而 移 位, 整 體 影 像 會 變 小 影 像 中 直 線 的 中 段 會 向 外 彎 曲, 兩 端 則 像 中 心 彎 曲, 變 成 曲 線 方 形 物 體 影 像 會 變 形 四 角 往 內 收 縮, 邊 緣 中 段 的 直 線 則 會 向 外 凸 出, 影 像 成 像 區 域 就 會 像 一 個 木 桶 形 狀, 因 此 被 稱 之 為 桶 狀 變 形 如 下 圖 14 圖 14 桶 狀 變 形 (2) 枕 狀 變 形 (Pincushion Distortion) 亦 可 稱 作 為 正 變 形 或 者 正 形 扭 曲 (Negative Distortion), 枕 狀 變 形 較 常 發 生 於 使 用 長 焦 段 鏡 頭 或 者 是 變 焦 鏡 的 望 遠 端 時 此 種 變 形 也 是 影 像 成 像 缺 陷, 其 效 果 會 造 成 影 像 中 間 有 夾 縮 的 感 覺, 枕 狀 變 形 的 影 像, 影 像 中 直 線 的 中 段 會 向 內 彎 曲, 兩 端 則 外 彎 曲, 變 成 曲 線 方 形 物 體 影 像 會 變 形 四 個 角 往 外 擴 張, 邊 緣 中 段 的 直 23

36 線 則 會 向 內 凹, 影 像 成 像 區 域 就 會 像 一 個 枕 頭 形 狀, 因 此 被 稱 之 為 枕 狀 變 形 枕 狀 變 形 是 以 參 考 線 彎 曲 程 度 和 圖 形 的 高 的 百 分 比 來 衡 量 以 大 多 數 的 相 機, 枕 狀 變 形 機 率 比 桶 狀 變 形 機 率 來 的 較 低 如 下 圖 15 圖 15 枕 狀 變 形 鏡 頭 校 正 原 理 照 相 機 鏡 頭 校 正 是 為 了 利 用 二 維 影 像 重 建 三 維 環 境 的 步 驟, 由 於 單 一 的 照 相 機 鏡 頭 能 夠 獲 得 的 影 像 侷 限 在 二 維 座 標, 所 以 無 法 由 後 續 的 影 像 處 理 及 運 算 來 求 得 三 維 座 標 和 物 體 深 度 照 相 機 鏡 頭 校 正 的 首 要 步 驟, 它 是 定 義 世 界 座 標 系 與 影 像 座 標 系 間 幾 何 關 係 的 重 要 技 術 在 照 相 機 校 正 法 中 是 利 用 針 孔 成 像 理 論 來 進 行 成 像 建 模, 以 相 機 鏡 頭 中 心 當 作 針 孔, 作 為 針 孔 成 像 的 轉 換, 其 目 的 是 在 於 求 得 相 機 系 統 的 內 部 參 數 與 外 部 參 數, 可 減 少 相 片 產 生 的 形 變 及 還 原 當 時 拍 攝 實 物 體 與 相 機 的 三 維 空 間 環 境 在 現 在 的 數 位 變 焦 鏡 頭 中, 鏡 頭 內 部 參 數 會 因 焦 點 的 改 變 而 有 所 不 同, 而 外 部 參 數 則 是 將 相 機 座 標 系 統 轉 換 成 參 考 座 標 系 統 關 於 相 機 參 數 的 在 之 後 章 節 會 有 更 詳 細 的 介 紹, 因 此 在 此 不 多 加 論 述 另 外 透 過 透 視 投 影 24

37 法 作 為 系 統 成 像, 進 而 組 成 投 影 矩 陣, 將 物 點 世 界 座 標 經 由 投 影 矩 陣, 換 算 成 相 對 應 的 影 像 座 標 投 影 矩 陣 可 三 維 空 間 中 的 座 標 轉 換 為 二 維 圖 片 上 的 座 標, 當 改 善 三 維 空 間 模 型 時 即 會 使 用 到 二 維 影 像 深 度 計 算 當 三 維 空 間 座 標 投 影 至 二 維 影 像 平 面 後, 就 會 失 去 影 像 深 度 資 訊, 亦 即 一 個 影 像 平 面 上 的 點 是 無 法 取 得 三 維 空 間 的 座 標, 我 們 可 利 用 立 體 成 像 技 術 取 得 失 去 的 深 度 資 訊 首 先 我 們 假 設 兩 個 相 機 座 標 系 統 已 經 過 校 正 對 準 且 平 行 架 設, 其 相 機 座 標 系 統 與 世 界 座 標 系 統 是 一 致 的, 則 影 像 XY 平 面 就 會 與 世 界 座 標 系 統 XY 平 面 重 合 一 般 來 說, 我 們 可 以 利 用 雷 達 和 三 角 定 位 法, 在 三 角 定 位 法 中, 可 根 據 兩 個 相 似 三 角 形, 如 圖 16 所 示, 在 物 體 上 目 標 點 A 和 左 相 機 中 心 焦 點 B 以 及 右 相 機 中 心 焦 點 C 所 形 成 的 三 角 平 面 稱 作 為 極 線 面 極 線 面 與 左 右 影 像 交 集 出 兩 段 線 則 稱 之 為 Epipolar 線 左 影 像 上 成 像 E 點 即 是 A 點, 右 影 像 則 成 像 在 F 點,F 點 與 E 點 稱 為 共 軛 配 對, 點 的 距 離 則 為 視 差, 在 圖 17 中, 兩 個 相 似 三 角 形 比 例 關 係 FCD FAH 與 GEI GBH 可 得, x z x f l x b z x f l (4.1) (4.2) 在 4.1 式 與 4.2 式 中, 設 兩 部 相 機 相 距 b, 可 進 一 步 推 得 25

38 zx x f ( zxl bf ) x f l (4.3) (4.4) 再 利 用 zx l zx bf, 可 推 得 r z bf x x l r bf s (4.5) 其 中 s x l x ) 為 視 差 值, 視 差 值 s 是 可 以 被 求 出 來 的, 透 過 量 測 與 焦 距 經 由 ( r 內 部 參 數 校 正 後 可 以 求 出 b, 即 可 利 用 4.5 公 式 計 算 出 深 度 值 z A 目 標 點 極 線 面 Epipolar 線 左 影 像 D E 右 影 像 B 左 邊 相 機 焦 點 C 右 邊 相 機 焦 點 圖 16 Epipolar 面 立 體 成 像 圖 26

39 A B H x r C D E I x l f F b 圖 17 立 體 成 像 幾 何 圖 G 相 機 成 像 模 型 在 擷 取 影 像 資 訊 時, 必 須 先 了 解 影 像 如 何 在 相 機 中 成 像, 為 了 能 取 得 影 像 的 三 維 資 訊, 我 們 使 用 透 視 投 影 法 的 幾 何 關 係, 來 建 立 簡 易 的 模 型, 藉 以 求 出 現 實 空 間 中 投 影 至 二 維 影 像 上 的 投 影 關 係 矩 陣 以 下 章 節 將 介 紹 電 腦 視 覺 的 透 視 投 影 法 成 像 原 理 以 及 相 機 內 外 部 參 數 透 視 投 影 在 電 腦 視 覺 中 一 般 最 常 見 的 投 影 法 為 透 視 投 影, 也 就 是 針 孔 成 像 模 型 原 理, 是 由 相 機 透 過 針 孔 成 像 將 實 景 投 影 至 投 影 面 上, 是 為 了 模 擬 人 類 視 網 膜 成 像 原 理, 27

40 將 三 維 座 標 轉 投 影 到 二 維 影 像 平 面 上 如 圖 18 所 示, 其 中 f 為 焦 距, Z 為 相 機 光 軸 方 向, 對 應 相 機 座 標 表 式 為 P ( X, Y, Z), 相 機 座 標 為 X, Y, Z ), 三 維 空 間 中 的 P 點 座 標 投 影 至 影 像 平 面 上 一 點 p, 其 座 標 為 p ( x, y) ( c c c c Y c P( X, Y, Z) X c y p( x, y) x Z c f 影 像 平 面 圖 18 透 視 投 影 示 意 圖 因 為 透 過 三 角 幾 何, 影 像 平 面 座 標 我 們 將 會 另 外 表 示 為 f f p ( x, y) ( X, Y ) Z Z (4.6) 在 利 用 透 視 投 影 法 之 後, 相 機 的 投 影 並 不 是 相 當 理 想 的 投 影 在 影 像 平 面 上 這 是 因 為 相 機 內 部 參 數 無 法 得 知, 若 想 獲 得 相 機 內 外 部 參 數 必 須 使 用 具 高 精 密 度 特 殊 用 途 的 影 像 裝 置 本 論 文 所 使 用 的 相 機 為 一 般 較 為 普 遍 的 類 單 眼 相 機, 相 機 製 造 商 並 未 提 供 使 用 者 相 機 參 數, 因 此 必 須 使 用 影 像 修 正 技 術 來 求 出 相 機 內 外 部 參 數, 透 過 所 獲 得 的 相 機 內 外 部 參 數 進 行 校 正 調 整 和 補 償 28

41 4.2.5 相 機 參 數 在 三 度 空 間 中 物 體 透 過 相 機 的 成 像 畫 面, 會 因 為 相 機 擺 設 位 置 拍 攝 角 度 問 題 或 者 是 相 機 本 身 所 組 成 元 件 的 不 同, 而 產 生 不 同 的 成 像 畫 面 相 機 的 成 像 幾 何 模 型 決 定 物 體 在 三 度 空 間 座 標 與 影 像 平 面 座 標 的 對 應 關 係, 此 幾 何 模 型 的 參 數 一 般 稱 作 相 機 參 數, 相 機 參 數 校 正 中 包 含 許 多 數 學 式 與 光 學 模 式, 相 機 校 正 主 要 分 為 兩 個 主 要 的 要 素 : 可 以 分 為 內 部 參 數 與 外 部 參 數, 為 各 相 機 鏡 頭 模 組 中 座 標 系 統 相 互 轉 換 的 關 係 (1) 內 部 參 數 (Intrinsic parameters): 相 機 內 部 參 數 屬 於 相 機 本 身 光 學 特 徵 和 幾 何 模 型 的 問 題, 如 焦 距 (Focal length) 影 像 中 心 (Image center) 像 素 尺 寸 (Pixel size) 鏡 頭 扭 曲 系 數 (Lens distortion) 以 及 影 像 歪 斜 (Skew) 等 透 過 透 視 投 影 示 意 圖 所 示, 則 影 像 平 面 點 p 可 以 用 齊 次 座 標 來 表 示 三 維 空 間 中 的 點 投 影 到 影 像 平 面 上 的 關 係 : fx f ~ P fy 0 Z 0 0 f X 0 Y 0 Z 0 1 (4.7) 理 論 上 成 像 中 心 點 會 落 在 z 軸 方 向 的 光 軸 上, 但 是 受 到 扭 曲 系 數 影 響, 每 一 個 像 素 點 並 非 為 正 方 形, 且 投 射 至 影 像 座 標 點 的 成 像 平 面 位 置 時, 會 使 得 中 心 點 偏 移 原 本 光 軸 中 心 點 而 成 像 在 影 像 座 標 C, ), 此 座 標 點 即 稱 為 影 像 中 心, 所 以 投 ( C x y 影 成 像 時 會 將 位 移 部 分 做 補 償 另 外, 由 於 每 一 個 相 機 的 x 軸 與 y 軸 比 例 皆 不 盡 相 29

42 同, 因 此 我 們 焦 距 的 x 軸 以 f x 表 示, y 軸 以 f y 做 表 示 根 據 這 些 參 數 可 將 4.6 式 表 示 成 三 維 相 機 座 標 f x X f xy ( x, y, z) s( Cx Cy f ) Z Z (4.8) 因 此 齊 次 座 標 4.8 式 可 表 示 為 f ~ P f x X Z Y Z y Z cx cy f f 0 c c x y 1 X 0 Y 0 Z 0 1 (4.9) 相 機 中 還 包 含 了 歪 斜 系 數, 表 示 影 像 平 面 x 軸 與 y 軸 夾 角 對 於 直 角 的 歪 斜 程 度, 但 一 般 相 機 中 的 歪 斜 系 數 通 常 很 小, 甚 至 近 似 於 零, 因 此 可 忽 略, 並 且 假 設 系 數 為 零, 完 整 的 內 部 參 數 矩 陣 可 表 示 為 M int f f 0 cx c y 1 (4.10) 相 機 內 部 參 數 是 相 機 本 身 成 像 關 係 式, 所 以 內 部 參 數 矩 陣 並 不 會 隨 著 外 部 環 境 變 化 而 有 所 改 變, 只 要 實 體 焦 距 固 定, 此 內 部 參 數 矩 陣 即 可 重 覆 使 用 (2) 外 部 參 數 (Extrinsic parameter) 外 部 參 數 為 相 機 座 標 系 統 和 參 考 座 標 間 轉 換 系 數, 是 表 示 相 機 外 部 絕 對 座 標 30

43 與 相 機 位 置 的 空 間 關 係 式, 它 可 以 用 位 移 矩 陣 (Translation matrix) 以 及 旋 轉 矩 陣 (Rotation matrix) 來 表 示 首 先 利 用 旋 轉 矩 陣 將 相 機 座 標 及 參 考 座 標 兩 個 不 同 座 標 系 統 的 方 向 軸 旋 轉 成 一 致 的 方 向 軸 ; 再 經 由 平 移 矩 陣 將 參 考 座 原 點 平 移 至 影 像 座 標 的 原 點, 可 以 用 齊 次 座 標 表 示 為 Xc Y c R Z c 0 1 3x3 T 3x1 1 X Y Z 1 w w w (4.11) 其 中 R 為 旋 轉 矩 陣,T 為 平 移 矩 陣, 如 圖 所 示 ( 外 部 參 數 矩 陣 ) 利 用 相 機 內 外 部 參 數 來 取 得 空 間 中 三 維 座 標 投 影 至 影 像 平 面 上 的 位 置, 其 投 影 公 式 可 表 示 為 X X f x 0 cx r11 r12 r13 t1 Y s Y 0 f y cy r 21 r22 r23 t2z r31 r32 r33 t3 1 s~ p M int M ext ~ P (4.12) (4.13) 表 示 影 像 平 面 和 參 考 空 間 的 齊 次 座 標 分 別 表 示 為 p ~ 和 P ~ s 為 比 例 係 數, 將 內 外 參 數 矩 陣 定 義 為 投 影 矩 陣 即 可 將 (4.13) 公 式 表 示 為 s~ p M p P ~ (4.14) 完 成 上 述 推 導 攻 勢 以 及 光 學 模 式, 即 可 求 出 左 右 相 機 其 內 外 部 參 數 31

44 4.3 變 形 校 正 在 現 在 使 用 數 位 相 機 拍 攝 景 物 文 件 資 料 的 頻 率 越 來 越 高, 但 由 於 拍 攝 的 角 度 以 及 距 離 的 關 係, 如 大 樓 名 片 或 者 是 文 件 資 料 時, 通 常 都 會 產 生 幾 何 變 形, 由 其 是 拍 攝 長 方 形 或 正 方 形 物 體 時, 其 幾 何 變 形 的 情 形 更 是 明 顯 例 如 使 用 數 位 相 機 拍 攝 名 片 文 件 資 料 時, 拍 到 的 數 位 影 像 原 本 應 該 是 方 形 的 物 體, 但 從 相 片 檢 視 上 來 看 會 變 成 任 意 四 邊 形 的 形 狀, 產 生 這 些 幾 何 變 形 可 能 會 導 致 讀 取 資 料 時 無 法 得 知 正 確 資 訊 本 論 文 研 究 針 對 現 有 的 技 術 不 足, 提 出 一 幾 何 變 形 自 動 校 正 的 方 法 對 於 景 物 名 片 及 文 件 資 料 等 容 易 產 生 幾 何 變 形 的 物 體, 首 先 我 們 利 用 自 動 閥 值 選 取 與 形 態 學, 針 對 我 們 所 要 校 正 的 物 體 進 行 邊 緣 檢 測, 檢 測 出 其 物 體 的 任 意 四 邊 形 的 邊 緣 輪 廓, 並 且 利 用 Radon transform 解 析 出 任 意 四 邊 形 的 邊 緣 直 線 方 程 式, 即 可 求 得 任 意 四 邊 形 的 四 個 頂 點 座 標 ; 然 後 建 立 一 光 學 成 像 的 數 學 模 型, 數 學 模 型 中 有 我 們 所 要 校 正 物 體 的 縱 橫 比 參 數 方 程 組, 接 著 利 用 先 前 求 得 的 頂 點 座 標 與 縱 橫 比 求 出 校 正 後 的 頂 點 座 標, 變 形 校 正 矩 陣 是 利 用 這 兩 組 座 標 值 所 求 出, 即 可 進 行 變 形 校 正 取 得 影 像 邊 緣 輪 廓 在 使 用 數 位 相 機 拍 攝 物 體 時, 通 常 都 會 把 被 拍 攝 物 放 置 在 成 像 區 域 中 央 或 者 是 中 央 附 近, 首 先 我 們 需 要 將 所 要 校 正 的 物 體 與 其 背 景 分 離 開 來, 因 此 我 們 在 此 採 用 Otsu 演 算 法,Otsu 演 算 法 是 建 立 在 進 行 圖 像 分 割 以 及 進 化 規 劃 原 理 的 基 礎 上, 是 一 種 自 動 閥 值 選 取 的 圖 像 分 割 演 算 法, 利 用 其 進 化 規 劃 與 快 速 計 算 的 特 點, 找 32

45 出 一 個 用 於 圖 像 分 割 的 最 佳 閥 值, 將 物 體 與 背 景 分 離 開 後, 結 果 是 一 幅 二 值 圖 ; 使 用 形 態 學 填 充 操 作, 可 以 在 得 到 新 的 二 值 圖, 假 設 原 來 二 值 圖 為 BW, 新 的 二 值 圖 則 為 BW 1 兩 圖 相 減 B( BW ) BW BW1, 即 可 得 到 邊 界 輪 廓 二 值 圖 Radon Transform 在 取 得 邊 緣 輪 廓 二 值 圖 上, 其 物 體 的 任 意 四 邊 形 的 四 條 邊 界 值 線 為 白 色, 其 餘 皆 為 黑 色, 接 著 利 用 Radon Transform 來 檢 測 直 線, 可 以 將 四 條 直 線 的 方 程 式 解 析 出 來 以 數 學 方 式 來 描 述 投 影 量 的 方 法 即 為 Radon Transform Radon Transform 可 以 在 任 意 空 間 定 義, 其 表 示 方 法 如 下 : 假 設 f ( x, y) 是 一 個 物 體, 以 二 維 函 數 表 示 其 所 在 X Y 平 面 上, 通 過 f ( x, y) 的 直 線, 稱 為 射 線 (ray), 這 個 射 線 的 線 積 分 表 示 光 線 穿 透 物 體 投 射 到 平 面 D 的 總 量, 定 義 成 投 影 量 因 此 我 們 可 以 寫 成 如 公 式 4.15 R (, ) f ( x, y) ( xcos ysin ) dxdy D (4.15) 公 式 中 D 為 整 個 圖 像 xy 的 平 面 ; f ( x, y) 為 圖 像 點 ( x, y) 的 灰 度 ; 為 座 標 原 點 到 直 線 距 離 ; 為 x 軸 與 距 離 的 夾 角, 為 狄 拉 克 函 數 它 使 f ( x, y) 沿 直 線 xcos ysin 進 行 積 分, 如 圖 19 所 示 33

46 y O x 圖 19 Radon Transform 定 義 示 意 圖 Radon Transform 可 以 解 釋 為 圖 像 在 空 間 的 投 影, 空 間 的 每 一 個 點 對 應 圖 像 空 間 的 一 條 直 線, 而 Radon Transform 是 圖 像 像 素 中 每 條 直 線 上 的 積 分, 也 可 以 解 釋 為 圖 像 順 時 針 旋 轉 角 度 後 在 x 軸 上 的 投 影 因 此 圖 像 中 每 條 直 線 會 在 空 間 形 成 一 個 亮 點, 直 線 檢 測 則 轉 換 為 空 間 轉 換 域 對 亮 點 的 檢 測 在 前 一 個 步 驟 中, 得 到 的 四 條 直 線, 分 別 對 應 轉 換 域 Radon Transform 圖 中 四 個 亮 點, 座 標 (, ) 可 在 圖 中 讀 出 每 一 個 亮 點 表 示 一 條 直 線, 由 已 知 的 座 標 (, ), 根 據 公 式 xcos ysin 可 將 四 條 直 線 的 方 程 式 解 析 出 來 利 用 每 兩 條 的 直 線 方 程 式 作 聯 立 方 程 式 運 算, 求 出 四 個 頂 點 座 標 這 四 個 頂 點 座 標 則 稱 作 為 輸 入 點 縱 橫 比 計 算 首 先 建 立 一 個 光 學 成 像 的 數 學 模 型, 如 下 圖 20 所 示 x O O z 成 像 區 域 y 成 像 透 鏡 成 像 屏 34

47 圖 20 光 學 成 像 數 學 模 型 O x y 圖 21 成 像 區 域 平 面 其 中 成 像 平 面 區 域 如 圖 21 所 示, 成 像 模 型 的 透 鏡 中 心 O 與 成 像 屏 及 成 像 區 域 中 心 O 三 點 共 線, 建 立 座 標 系 其 中, 透 鏡 中 心 與 成 像 區 域 中 心 距 離 為 D, 透 鏡 光 軸 與 成 像 區 域 平 面 夾 角 為 o, 拍 攝 時, 成 像 模 型 的 透 鏡 焦 距 為 f, 成 像 模 型 光 學 系 數 為 k o 假 設 物 體 為 矩 形, 長 為 l, 寬 為 m, 矩 形 的 中 心 在 成 像 區 域 座 標 系 為 x, y ), 相 對 於 座 標 軸, 矩 形 旋 轉, 計 算 公 式 如 下 : ( o o R m 2 (4.16) 1 2 arctan arctan m l l m (4.17) (4.18) 經 上 列 公 式 運 算 後, 圖 21 所 示 的 座 標 系 中, 矩 形 的 四 個 座 標 頂 點 座 標 可 以 分 別 表 示 出 來 利 用 四 個 頂 點 座 標 通 過 透 鏡 後, 折 射 到 成 像 屏 的 兩 條 光 線, 就 可 以 35

48 求 出 成 像 屏 四 個 頂 點 座 標 這 兩 條 直 線, 一 條 為 通 過 透 鏡 中 心 的 直 線, 方 向 不 變 ; 另 外 一 條 則 為 平 行 於 光 軸 的 直 線, 通 過 透 鏡 折 射, 經 過 焦 點 後 落 在 成 像 屏 根 據 這 兩 條 直 線 方 程 式 就 可 以 求 出 成 像 點 座 標 求 得 四 個 座 標 頂 點 所 對 應 的 像 點 在 圖 21 所 示 的 XY 座 標 系 中 表 示 出 來 再 利 用 Radon Transform 中 所 求 得 圖 像 中 四 邊 形 的 四 個 頂 點 座 標 作 聯 立 方 程 式, 如 公 式 4.19~4.26 所 示 f R cos x0 D f R sin cos y f R sin D f R sin f R sin D f R sin f R cos D f R sin f R sin D f R sin f R cos D f R sin f R cos D f R sin f R sin D f R sin s k x1 0 sin 2 1 sin y0 t k y1 cos y0 sin 2 1 x0 s k x2 cos y0 sin 2 2 sin y0 t k y2 cos y0 sin 2 2 x0 s k x3 cos y0 sin 2 2 sin y0 t k y3 cos y0 sin 2 1 x0 s k x4 cos y0 sin 2 1 sin y0 t k y4 cos y0 sin 2 (4.19) (4.20) (4.21) (4.22) (4.23) (4.24) (4.25) (4.26) ( 2 y2 其 中, k 是 成 像 屏 與 圖 像 之 間 的 縮 放 系 數, s 和 t 是 圖 像 矩 陣 維 數 x, ), ( 1 y1 x, ), x, ), x, ) 是 由 Radon Transform 中 所 計 算 出 圖 像 白 色 四 邊 形 四 個 頂 ( 3 y3 ( 4 y4 點 座 標 ( 輸 入 點 ) 座 標 公 式 19~26 中, 共 有 八 個 未 知 數 ( 焦 距 f, s,t 已 知 ), 八 個 方 程 式 未 知 數 可 以 分 別 解 出, l 與 m 的 縱 橫 比 可 求 出 ( 假 設 所 求 得 的 縱 橫 比 為 ) 36

49 4.3.4 變 形 調 校 本 變 形 調 校 方 法 是 採 用 變 形 校 正 矩 陣, 針 對 幾 何 變 形 圖 像 進 行 校 正 在 求 出 變 形 校 正 矩 陣 前, 必 須 先 求 出 校 正 之 後 四 個 頂 點 座 標 任 意 四 邊 形 經 過 校 正 後 變 成 矩 形, 並 且 校 正 後 的 矩 形 縱 橫 比 為 根 據 矩 形 四 個 頂 點 座 標 之 間 的 幾 何 關 係 和 縱 橫 比, 以 及 校 正 前 四 個 頂 點 的 座 標, 將 可 以 很 清 楚 將 校 正 之 後 的 四 個 頂 點 座 標 求 出 假 設 校 正 前 四 個 頂 點 座 標 為 x, ), x, ), x, ), x, ), 校 正 之 後 四 ( 1 y1 ( 2 y2 ( 3 y3 ( 4 y4 個 頂 點 座 標 為 x, ), x, ), x, ), x, ), 其 中, 校 正 前 四 個 頂 點 座 標 ( 1 y1 ( 2 y2 ( y 3 3 為 輸 入 點, 校 正 後 四 個 頂 點 座 標 為 基 準 點 ( 4 y4 令 變 形 校 正 矩 陣 H, 帶 入 中 間 參 數 h ij, 如 公 式 所 示 h H h h h h h h h h (4.27) h h h h h h h h h h T (4.28) 利 用 投 影 關 係 與 座 標 轉 換 公 式, 可 以 得 到 下 面 的 公 式 4.29: 37

50 h h h h h h h h h y y y x y y x x y x x x y x y y y x y y x x y x x x y x y y y x y y x x y x x x y x y y y x y y x x y x x x y x (4.29) 只 要 帶 進 輸 入 點 以 及 基 準 點 的 座 標, 通 過 上 述 公 式 4.29 即 可 求 出 ij h, 即 可 求 出 變 形 校 正 矩 陣 H 利 用 變 形 校 正 矩 陣 就 可 以 對 原 圖 像 進 行 校 正, 校 正 之 後 的 圖 像, 圖 像 變 為 矩 形, 並 且 保 持 原 始 的 縱 橫 比, 還 原 圖 像 資 料

51 4.4 機 器 人 路 徑 分 析 軟 體 由 鏡 頭 校 正 演 算 法 調 整 影 片 拍 攝 時, 因 鏡 頭 參 數 所 造 成 的 畸 變 及 利 用 變 形 校 正 演 算 法 將 所 拍 攝 的 場 地 還 原 後, 現 在 透 過 機 器 人 路 徑 分 析 軟 體, 可 更 準 確 的 找 到 清 潔 機 器 人 的 真 實 位 置 以 及 座 標 位 置, 進 而 利 用 其 座 標 位 置 即 可 分 析 出 清 潔 機 器 人 路 徑 規 劃 覆 蓋 率 及 重 覆 率 數 位 影 像 處 理 定 義 數 位 影 像 處 理 是 現 今 是 常 被 運 用 以 及 不 可 或 缺 的 技 術 之 一, 無 論 在 機 器 人 醫 療 建 築 影 視 衛 星 等, 都 是 需 要 使 用 影 像 處 理 技 術 在 現 實 生 活 空 間 中, 可 以 表 示 為 一 個 三 維 函 數 f ( x, y, z), 而 數 位 影 像 透 過 各 式 鏡 頭 將 物 體 投 影 至 投 影 面 上 產 生 一 個 二 維 影 像, 定 義 為 一 個 二 維 函 數 f ( x, y), 其 中 x 與 y 是 空 間 座 標, f 的 大 小 則 為 座 標 軸 ( x, y) 的 相 對 值, 稱 該 點 為 強 度 或 灰 階 當 x y 與 f 的 值 皆 是 有 限 的 離 散 量 時, 就 是 我 們 俗 稱 的 數 位 影 像 在 數 位 影 像 中, 彩 色 影 像 每 點 都 有 RGB 三 個 顏 色 的 強 度 值,R 為 紅 色 G 為 綠 色 B 為 藍 色,RGB 空 間 是 以 這 三 種 顏 色 調 和 為 任 一 顏 色 另 外 影 像 取 樣 點 越 多 則 越 接 近 真 實 的 影 像, 但 其 資 訊 量 會 相 當 龐 大, 影 像 取 樣 點 的 數 量 會 決 定 x y 值, 取 樣 點 的 多 寡 則 稱 之 為 解 析 度, 數 位 影 像 的 品 質 及 大 小 則 以 解 析 度 決 定 而 數 位 影 像 處 理 則 是 使 用 電 腦 來 處 理, 數 位 影 像 中, 每 個 元 素 皆 有 特 定 的 數 值 與 位 置, 構 成 數 位 影 像 的 元 素 稱 為 像 素 照 片 元 素 或 影 像 元 素, 可 經 由 程 式 與 設 定 各 種 控 制 參 數, 還 可 以 運 用 許 多 不 同 的 影 像 處 理 演 算 法, 來 達 成 所 希 望 獲 得 的 影 像 呈 現 或 影 像 資 料 39

52 4.4.2 鄰 域 處 理 (Neighborhood Processing) 鄰 域 處 理 技 術 經 常 被 使 用 在 影 像 處 理 中, 如 圖 22 所 示, 對 像 素 值 執 行 特 定 函 數 運 算 來 修 正 影 像, 將 像 素 鄰 域 部 分 納 入 執 行 函 數 運 算 考 量, 鄰 域 範 圍 由 遮 罩 決 定, 在 處 理 過 程 中 必 須 先 定 義 出 遮 罩 (mask) 的 中 心 點 以 及 形 狀, 在 遮 罩 的 中 心 點 周 遭 區 域 即 是 鄰 域 範 圍, 將 遮 罩 區 域 內 所 有 元 素 值 與 影 像 對 應 像 素 值 帶 入 函 式 中 進 行 計 算 產 生 響 應, 產 生 響 應 後 即 移 動 遮 罩 中 心 點 位 置 至 下 一 點 產 生 新 的 鄰 域 進 行 運 算, 重 覆 此 步 驟 直 到 整 張 數 位 影 像 完 成 處 理, 其 中 遮 罩 與 函 式 運 算 為 濾 波 處 理 遮 罩 相 乘 遮 罩 與 鄰 域 乘 積 像 素 鄰 域 目 前 像 素 輸 出 像 素 所 有 乘 積 總 和 圖 22 鄰 域 處 理 示 意 圖 使 用 者 可 以 自 行 設 計 遮 罩 大 小 及 形 狀, 不 同 的 形 狀 大 小 的 遮 罩 會 呈 現 出 不 同 的 處 理 效 果, 因 此 可 自 行 選 擇 符 合 需 求 設 計 的 遮 罩, 常 見 的 遮 罩 皆 以 n n 的 形 式, 40

53 最 為 常 見 的 遮 罩 n 是 為 奇 數, 使 遮 罩 中 心 點 成 對 稱, 許 多 濾 波 器 均 使 用 3 3 的 遮 罩, 但 以 Dithering 技 術 則 是 使 用 n 為 偶 數 的 遮 罩 邊 緣 偵 測 邊 緣 檢 測 是 影 像 處 理 和 電 腦 視 覺 中 常 用 到 的 一 種 技 術, 邊 緣 檢 測 的 目 的 主 要 是 找 出 影 像 中 圖 形 的 邊 緣, 標 示 出 圖 像 中 亮 度 變 化 的 點, 在 前 述 節 中, 鄰 域 處 理 可 以 進 行 簡 單 的 邊 緣 偵 測, 但 本 論 文 中 未 使 用 其 技 術, 在 此 不 多 論 述 邊 緣 檢 測 分 別 有 Canny 演 算 法 Sobel 演 算 法 以 及 Laplace 演 算 法, 其 中 Canny 演 算 法 是 目 前 最 常 被 使 用 的 邊 緣 檢 測 的 演 算 法 在 Canny 演 算 法 中, 其 偵 測 方 式 還 需 有 兩 個 閥 值 決 定, 第 一 個 閥 值 為 門 檻 值, 當 邊 緣 受 到 雜 訊 影 響 時 會 產 生 出 波 峰, 若 將 所 有 波 峰 的 所 在 位 置 當 為 邊 緣 時, 誤 判 的 情 況 將 會 產 生, 所 以 第 一 個 門 檻 值 就 是 避 免 在 邊 緣 偵 測 時 產 生 誤 判, 當 某 一 波 的 波 峰 值 大 於 所 設 定 的 門 檻 值 時 才 是 真 正 的 邊 緣, 其 餘 波 峰 則 皆 為 雜 訊 而 第 二 個 閥 值 則 是 當 雜 訊 影 響 到 其 中 一 條 邊 緣 時, 可 能 會 使 其 邊 緣 斷 成 好 幾 節, 解 決 的 方 式 為 一 種 遞 回 式 的 方 法, 觀 察 影 像 中 每 一 個 點 其 八 個 方 向 的 鄰 點 是 否 有 邊 緣 點 的 存 在, 如 果 有 邊 緣 點 的 存 在 且 其 值 大 於 門 檻 值, 即 可 判 斷 此 鄰 點 與 此 點 為 同 一 條 線 段, 即 可 將 此 鄰 點 加 入 同 一 條 線 段 中, 爾 後 對 影 像 中 的 每 一 個 點 做 偵 測 與 判 斷, 即 可 將 影 像 中 被 截 斷 的 線 連 結 起 來 41

54 Canny 邊 緣 偵 測 Canny 邊 緣 偵 測 法 是 於 1986 年 Canny[45] 所 提 出 的 方 法, 首 先 使 用 高 斯 濾 波 器 平 滑 影 像 降 低 雜 訊 干 擾, 在 高 斯 濾 波 器 中 會 先 得 到 灰 階 影 像 f ( x, y), 平 滑 影 像 即 為 g( x, y) f ( x, y) W ( x, y, ), 每 點 都 計 算 梯 度 向 量 g( x, y) 及 梯 度 向 量 大 小 與 G 方 向, 邊 緣 偵 測 器 的 大 小 會 根 據 高 斯 濾 波 器 參 數 來 決 定, 依 照 適 當 的 參 數 值 來 決 定 得 到 邊 緣 偵 測 的 程 度 雜 訊 干 擾 多 寡 以 及 邊 緣 偵 測 定 位 與 準 確 性, 最 後 弱 邊 緣 像 素 的 周 遭 將 會 被 併 入 強 邊 緣 像 素, 完 成 邊 緣 連 結 二 值 化 概 念 在 數 位 影 像 處 理 中, 二 值 化 的 方 法 概 念 中 可 達 成, 利 用 降 低 數 位 影 像 的 資 訊 量 來 達 成 節 省 系 統 資 源 辨 識 速 度 加 快 以 及 提 高 辨 識 率 在 灰 階 影 像 中 可 取 得 0 到 255 的 灰 階 度 值, 根 據 灰 階 影 像 的 分 布 範 圍, 可 透 過 灰 階 臨 界 值 將 影 像 分 割 出 背 景 與 目 標 物, 但 經 過 二 值 化 處 理 後 的 數 位 影 像, 會 呈 現 失 真 的 現 象, 為 降 低 失 真 的 程 度, 二 值 化 的 方 法 也 陸 續 被 提 出, 針 對 不 同 的 分 法 目 的 樣 本 設 計 等 結 果 也 不 盡 相 同, 在 二 值 化 方 法 的 應 用 上 則 視 需 求 選 擇 適 當 方 法, 取 得 適 合 目 標 灰 階 影 像 的 二 值 化 臨 界 值 影 像 二 值 化 將 我 們 所 需 的 影 像 載 入 之 後, 因 其 明 暗 變 化 較 為 複 雜, 在 影 像 分 析 上 比 較 困 42

55 難, 所 以 我 們 必 須 先 將 影 像 二 值 化, 也 就 是 只 有 明 和 暗 (0 和 255), 二 值 化 的 步 驟 非 常 重 要, 是 影 像 處 理 的 第 一 個 步 驟, 經 過 二 值 化 的 處 理 後, 我 們 即 可 將 影 像 的 所 需 的 圖 形 以 及 背 景 分 離 開 來, 針 對 圖 形 作 我 們 所 要 的 處 理 二 值 化 也 稱 為 灰 度 分 劃, 即 設 定 一 個 灰 度 值, 只 要 影 像 本 身 灰 度 大 於 灰 度 值 的 便 為 亮 點, 反 之 低 於 設 定 值 的 則 為 暗 點, 經 過 此 步 驟 即 可 得 到 一 個 二 元 影 像 在 影 像 處 理 中, 凡 須 去 除 影 像 中 不 需 要 的 細 節, 留 下 需 要 的 基 礎 要 素 或 顯 示 影 像 中 隱 藏 的 特 性, 皆 可 利 用 影 像 二 值 化, 在 影 像 二 值 化 中 每 一 個 像 素 點 的 灰 階 值 都 以 0 和 1 來 表 示, 這 樣 即 可 將 影 像 簡 化 成 前 景 與 背 景, 特 徵 值 即 是 前 景, 背 景 就 是 我 們 不 需 要 的 影 像 在 本 研 究 論 文 中, 此 處 的 二 值 化 門 檻 值 以 能 夠 取 得 清 潔 機 器 人 在 場 地 中 的 特 徵 值 為 原 則, 因 此 所 設 的 二 值 化 門 檻 值 較 高, 由 於 場 地 大 小 形 狀 以 及 障 礙 物 的 不 同, 也 會 依 據 其 場 地 情 況 進 而 調 整 其 二 值 化 門 檻 值 形 態 學 影 像 處 理 形 態 學 影 像 處 理 方 法 是 一 種 非 線 性 的 影 像 分 析 技 術, 此 影 像 處 理 技 術 來 自 1960 年 分 析 地 質 學 和 醫 學 的 二 元 化 影 像 處 理, 當 時 即 推 廣 運 用 於 配 合 布 林 邏 輯 的 細 胞 組 織 自 動 型 態 辨 識 的 工 作,1970 年 代 晚 期 此 技 術 延 伸 到 灰 階 影 像 處 理,1980 年 代 中 期, 形 態 學 影 像 處 理 和 其 他 非 線 性 濾 鏡 成 為 影 像 處 理 的 主 流, 最 後 它 則 被 一 般 化, 成 為 不 限 方 形 的 結 構 元 素 也 能 執 行 此 影 像 處 理, 如 今, 型 態 學 方 法 已 演 進 為 一 門 及 理 論 概 念 應 用 系 統 寬 廣 設 計 性 方 法 及 非 線 性 濾 鏡 的 概 念, 此 形 態 學 方 法 具 有 倫 理 制 度 在 特 定 硬 體 上 容 易 施 行 具 效 率 的 演 算 法 及 於 形 狀 方 位 問 題 皆 適 用 等 優 點 43

56 形 態 學 通 常 是 指 研 究 動 物 和 設 備 形 狀 與 結 構 所 得 名 影 像 是 由 像 素 所 組 成, 又 可 歸 納 為 二 維 結 構, 我 們 可 對 像 素 進 行 數 學 運 算, 加 強 其 結 構 特 性, 達 到 辨 認 或 計 數 的 目 的 形 態 學 影 像 處 理 主 要 是 透 過 遮 罩 及 集 合 理 論 對 影 像 作 型 態 上 處 理, 如 膨 脹 或 是 侵 蝕, 集 合 理 論 為 形 態 學 的 基 礎, 因 此 首 先 須 了 解 即 合 理 論,A 為 一 集 合 B 為 另 一 集 合 如 圖 23(1) 所 示,(2)A 與 B 集 合 之 聯 集,(3)A 與 B 集 合 之 交 集,(4)A 與 B 集 合 之 差 集,(5)A 集 合 之 補 集 A B A B A B (1) (2) (3) A B A (4) (5) 圖 23 集 合 理 論 在 形 態 學 中, 我 們 使 用 侵 蝕 與 膨 脹 對 影 像 進 行 平 滑 處 理 侵 蝕 運 算 是 利 用 在 遮 罩 中 所 有 點 像 素 灰 度 大 小 中, 排 序 最 小 的 灰 度 值, 膨 脹 運 算 則 是 找 出 在 遮 罩 中 所 有 點 像 素 灰 度 大 小 中, 排 序 最 大 的 灰 度 值 侵 蝕 運 算 執 行 後 該 點 像 素 灰 度 值 為 其 鄰 近 八 接 點 的 中 的 最 小 值, 當 影 像 為 亮 點 時, 執 行 侵 蝕 運 算 會 造 成 物 體 蝕 刻 縮 小 的 結 果 膨 脹 運 算 執 行 後 該 點 像 素 灰 度 值 為 其 鄰 近 八 接 點 的 中 的 最 大 值, 當 影 44

57 像 為 亮 點 時, 執 行 膨 脹 運 算 會 造 成 物 體 擴 張 膨 脹 的 結 果 從 侵 蝕 與 膨 脹 運 算 中 發 展 出 斷 開 與 閉 合 運 算 斷 開 運 算 執 行 時 先 進 行 侵 蝕 運 算, 再 作 影 像 膨 脹 運 算, 其 處 理 效 果 在 於 可 除 去 一 些 小 面 積 的 高 頻 雜 訊, 將 影 像 結 構 外 型 變 的 平 滑, 透 過 斷 開 的 運 作 可 將 圖 形 中 細 微 的 連 結 部 分 有 效 的 分 開 閉 合 運 算 執 行 時 先 進 行 影 像 膨 脹 運 算, 再 作 影 像 侵 蝕 運 算, 其 處 理 效 果 在 於 可 將 影 像 中 的 小 洞 填 補 起 來 及 將 一 些 斷 線 連 接 起 來 ; 斷 開 與 閉 合 是 形 態 學 中 兩 個 重 要 運 算, 是 由 膨 脹 與 侵 蝕 組 合 的 復 合 運 算 在 斷 開 與 閉 合 的 影 像 運 算 中, 影 像 先 作 侵 蝕 運 算, 再 作 膨 脹 運 算 的 結 果 和 先 作 影 像 膨 脹 運 算 在 作 侵 蝕 運 算 的 結 果 是 不 一 樣 的 透 過 斷 開 與 閉 合 的 合 併 使 用, 可 有 效 抑 制 二 值 化 影 像 中 的 雜 訊 以 下 敘 述 為 就 侵 蝕 膨 脹 斷 開 及 閉 合 的 運 算 方 式 與 效 果 : 形 態 學 影 像 處 理 - 侵 蝕 (Erosion) 侵 蝕 運 算 是 當 邊 緣 檢 測 後, 多 出 來 的 邊 緣 或 經 二 值 化 後 多 出 的 點 將 其 消 除, 或 是 在 因 物 體 膨 脹 後, 為 了 讓 分 析 特 徵 值 結 果 更 為 準 確, 避 免 物 體 膨 脹 過 大 而 分 析 結 果 不 準 確, 而 再 進 行 一 次 侵 蝕 侵 蝕 方 法 是 逐 點 掃 描, 並 且 是 由 上 而 下 的 方 式 進 行, 如 找 到 為 物 體 的 暗 點 時, 再 判 斷 鄰 近 的 八 點, 如 其 中 有 一 點 為 背 景 時, 即 將 此 點 改 為 亮 點, 如 此 一 來 物 體 的 暗 點 就 少 一 點, 等 掃 描 完 整 張 圖 時, 物 體 會 少 一 圈 暗 點, 這 就 是 影 像 侵 蝕 在 圖 24 中, 虛 線 為 被 正 方 形 結 構 元 素 所 侵 蝕 的 狀 況, 所 以 當 區 塊 侵 蝕 後 的 大 小, 亦 45

58 會 受 到 結 構 元 素 大 小 的 影 響 圖 24 大 區 塊 與 小 區 塊 對 稱 結 構 元 素 膨 脹 示 意 圖 形 態 學 影 像 處 理 - 膨 脹 (Dilation) 當 圖 形 經 過 二 值 化 後, 邊 緣 會 呈 現 不 平 或 有 凹 洞 的 情 形, 此 時 可 將 圖 形 膨 脹, 以 改 善 邊 緣 不 平 或 凹 洞 的 情 形 此 方 法 是 當 尋 找 到 背 景 亮 點 時, 判 斷 周 圍 是 否 為 背 景 或 物 體, 再 判 斷 鄰 近 的 八 點, 如 其 中 物 體 暗 點 時, 則 將 此 點 改 為 暗 點, 等 掃 描 完 整 張 圖 時, 物 體 會 多 一 圈 暗 點, 就 會 呈 現 物 體 膨 脹 的 情 形 在 圖 25 中, 虛 線 為 被 正 方 形 結 構 元 素 所 膨 脹 的 狀 況, 所 以 當 區 塊 膨 脹 後 的 大 小, 亦 會 受 到 結 構 元 素 大 小 的 影 響 圖 25 大 區 塊 與 小 區 塊 對 稱 結 構 元 素 侵 蝕 示 意 圖 46

59 形 態 學 影 像 處 理 - 斷 開 (Opening) 斷 開 是 膨 脹 之 後 所 延 伸 的 方 法, 首 先 對 影 像 進 行 侵 蝕 後 再 膨 脹, 這 即 為 斷 開 運 算 此 演 算 可 以 平 滑 大 影 像 的 邊 界 對 面 積 改 變 時 表 現 不 明 顯 分 開 連 結 的 影 像 像 素 以 及 消 除 雜 訊 或 較 小 的 影 像 點 等 優 點 如 圖 26 為 斷 開 運 算 圖 26 斷 開 運 算 示 意 圖 形 態 學 影 像 處 理 - 閉 合 (Closing) 閉 合 為 侵 蝕 之 後 所 延 伸 的 方 法 首 先 先 對 影 像 進 行 膨 脹 後 再 收 縮, 這 即 為 閉 合 運 算 具 有 在 不 明 顯 改 變 面 積 的 情 況 平 滑 邊 界 連 結 鄰 近 影 像 像 素 以 及 填 充 影 像 內 細 小 的 空 洞 等 作 用 而 閉 合 也 有 平 滑 輪 廓 的 部 分, 不 過 與 斷 開 相 反, 為 先 膨 脹 後 侵 蝕 如 圖 27 圖 27 閉 合 運 算 示 意 圖 47

60 4.4.6 背 景 相 減 法 本 論 文 研 究 中 使 用 背 景 相 減 法 取 得 機 器 人 中 心 點 座 標 位 置, 首 先 使 用 背 景 相 減 法 必 須 先 建 立 一 背 景 模 型, 當 機 器 人 進 入 此 畫 面 時, 此 背 景 模 型 會 造 成 明 顯 的 亮 度 變 化 並 且 作 一 對 一 的 像 素 亮 度 值 相 減, 藉 此 偵 測 出 機 器 人 物 件 像 素, 最 後 即 可 準 確 且 快 速 的 求 出 移 動 物 的 座 標 位 置 此 方 法 除 了 可 擷 取 物 件 的 形 狀 及 坐 標 位 置, 對 雜 訊 也 有 較 高 的 容 忍 度, 可 減 少 因 移 動 物 所 造 成 的 陰 影 影 響 背 景 相 減 法 是 利 用 靜 態 的 影 像 擷 取 裝 置, 建 立 好 的 影 像 背 景, 在 影 像 擷 取 裝 置 不 移 動 的 情 況 下, 拍 攝 擷 取 多 張 連 續 的 影 像, 再 將 擷 取 到 的 多 張 連 續 影 像 與 先 前 建 立 好 的 影 像 背 景 作 相 減 動 作, 會 得 到 背 景 影 像 與 連 續 影 像 在 相 同 的 影 像 平 面 空 間 中 的 影 像 差 異 值, 倘 若 兩 者 影 像 皆 為 背 景 影 像 部 分, 則 影 像 差 異 值 會 低 於 門 檻 值 或 者 為 零, 而 若 影 像 相 減 後, 影 像 差 異 值 大 於 門 檻 值, 則 會 保 留 影 像 差 益 的 部 分, 即 是 物 件 所 在 的 座 標 位 置 48

61 4.5 覆 蓋 率 計 算 方 式 目 前 在 清 潔 機 器 人 技 術 中, 清 潔 機 器 人 如 何 在 一 個 未 知 的 環 境 中 準 確 的 計 算 出 其 清 潔 的 覆 蓋 率, 因 此 覆 蓋 率 與 重 覆 率 的 計 算 亦 是 相 當 重 要 的 研 究 方 向 之 一,, 在 目 前 相 關 清 潔 機 器 人 覆 蓋 率 的 研 究 中, 多 半 都 是 採 用 以 電 腦 模 擬 的 方 式 來 呈 現 機 器 人 的 覆 蓋 率, 但 是 以 模 擬 的 方 式 無 法 呈 現 機 器 人 的 真 實 環 境 中 的 實 際 情 況, 例 如 機 器 人 真 實 的 機 械 狀 態 碰 撞 障 礙 物 的 實 際 反 應 地 形 的 實 際 情 形 地 板 的 材 質 等 相 當 多 的 因 素, 是 電 腦 模 擬 無 法 做 出 的 本 論 文 研 究 中, 以 影 像 處 理 技 術, 可 完 整 準 確 掌 握 機 器 人 路 徑, 並 且 可 計 算 出 清 潔 機 器 人 在 真 實 情 境 所 呈 現 的 覆 蓋 率 清 潔 覆 蓋 率 的 計 算, 以 固 定 時 間 固 定 面 積 固 定 障 礙 物 以 及 固 定 的 行 走 長 度 下 來 計 算, 因 各 家 廠 牌 清 潔 機 器 人 所 行 走 的 速 度 不 一, 故 本 論 文 以 機 器 人 所 行 走 距 離 來 計 算 其 覆 蓋 率, 清 潔 模 式 以 機 器 人 自 動 隨 機 模 式 運 行, 如 此 一 來 即 可 得 到 最 接 近 機 器 人 在 真 實 環 境 中 的 覆 蓋 率 49

62 第 五 章 實 驗 與 模 擬 結 果 此 章 節 中 將 介 紹 本 論 文 實 驗 流 程 以 及 結 果, 在 實 驗 流 程 中, 首 先 利 用 鏡 頭 校 正 演 算 法 修 正 因 鏡 頭 所 造 成 的 變 形, 接 著 使 用 變 形 校 正 演 算 法 轉 換 成 我 們 所 需 的 影 像 畫 面, 再 來 影 像 處 理 路 徑 分 析 軟 體 會 進 行 影 像 處 理, 擷 取 出 清 潔 機 器 人 在 影 像 中 的 座 標 位 置, 分 析 出 機 器 人 路 徑 覆 蓋 率 以 及 重 覆 率 5.1 視 覺 化 量 測 實 驗 結 果 本 論 文 研 究 實 驗 數 據, 是 以 影 片 拍 攝 方 式, 錄 製 清 潔 機 器 人 運 行 影 片, 接 著 利 用 影 片 拆 解, 將 影 片 轉 換 為 圖 片, 並 透 過 鏡 頭 校 正 軟 體 變 形 校 正 軟 體 以 及 路 徑 分 析 軟 體 分 析 清 潔 機 器 人 的 路 徑 座 標 位 置 本 論 文 所 使 用 的 影 片 拍 攝 器 材 為 SONY 公 司 所 生 產 的 NEX-5 類 單 眼 相 機 所 拍 攝, 並 且 利 用 影 像 拆 解 軟 體 將 影 片 轉 換 為 圖 片 影 像 處 理 方 面 是 利 用 Microsoft Visual C# 2010 做 為 程 式 編 輯 軟 體, 配 合 由 Intel 開 發 的 OpenCV(Open Source Computer Vision Library), 並 引 用 OpenCV 影 像 處 理 與 電 腦 視 覺 演 算 法 函 式 庫, 完 成 影 像 處 理 的 部 分 下 圖 28 圖 29 圖 30 則 是 本 論 文 所 撰 寫 的 影 像 處 理 程 式 畫 面 50

63 圖 28 鏡 頭 校 正 程 式 畫 面 圖 29 變 形 校 正 程 式 畫 面 51

64 圖 30 路 徑 分 析 軟 體 程 式 畫 面 鏡 頭 校 正 結 果 在 鏡 頭 校 正 的 部 分, 我 們 使 用 一 般 類 單 眼 相 機 拍 攝 照 片 時, 會 發 現 拍 攝 照 片 的 影 像 會 有 桶 狀 變 形 的 現 象 發 生, 為 避 免 變 形 校 正 後, 所 擷 取 的 數 據 錯 誤, 我 們 使 用 鏡 頭 校 正 軟 體 將 產 生 桶 狀 變 形 的 照 片 修 正 完 成 如 下 圖 31 為 影 像 拍 攝 時 發 生 嚴 重 桶 狀 變 形 相 片 52

65 圖 31 桶 狀 變 形 透 過 圖 31 可 以 發 現, 紅 線 區 域 應 為 原 本 磁 磚 線 區 域, 但 因 拍 攝 時 產 生 桶 狀 變 形, 所 以 我 們 必 須 以 鏡 頭 校 正 軟 體 將 桶 狀 變 形 調 整 為 正 常 影 像 53

66 圖 32 鏡 頭 校 正 後 影 像 經 過 我 們 所 撰 寫 的 鏡 頭 校 正 軟 體 調 整 後, 由 上 圖 32 我 們 可 以 發 現 原 本 地 上 的 磁 磚 線 已 經 和 我 們 所 畫 的 紅 線 重 疊, 由 此 可 證 明, 本 論 文 鏡 頭 校 正 研 究 方 法 是 可 以 有 效 的 將 影 像 所 產 生 的 變 形 調 整 回 原 本 所 應 呈 現 的 影 像 如 下 圖 33 圖 33 所 示 鏡 頭 校 正 前 圖 33 鏡 頭 校 正 實 驗 結 果 鏡 頭 校 正 後 54

67 5.1.2 變 形 校 正 結 果 透 過 鏡 頭 校 正 調 整 桶 狀 變 形 完 後, 接 著 開 始 進 行 變 形 校 正, 變 形 校 正 是 將 我 們 拍 攝 的 影 像 還 原 成 正 面, 讓 路 徑 分 析 軟 體 可 以 利 用 影 像 處 理 方 法, 將 我 們 的 機 器 人 所 在 位 置 的 中 心 座 標 點 找 出 下 圖 34 為 我 們 所 拍 攝 的 影 像 畫 面, 這 裡 我 們 以 凸 形 地 形 為 例, 並 在 地 形 中 擺 設 十 二 張 與 機 器 人 大 小 一 致 的 黑 色 原 紙 圖 34 變 形 校 正 前 55

68 透 過 變 形 校 正 後, 如 下 圖 35 我 們 可 以 看 到 原 本 的 影 像 還 原 我 們 所 需 要 的 正 面 圖, 透 過 所 擺 設 的 十 二 張 黑 色 原 紙 證 明 還 原 後, 影 像 中 的 物 品 方 位 仍 然 在 我 們 所 擺 放 的 位 置, 證 明 此 方 法 可 以 有 效 的 還 原, 並 且 不 會 因 為 還 原 而 產 生 變 形 或 失 真 圖 35 變 形 校 正 後 變 形 校 正 前 圖 36 變 形 校 正 實 驗 結 果 變 形 校 正 後 56

69 5.1.3 清 潔 機 器 人 路 徑 分 析 - 無 障 礙 物 環 境 量 測 結 果 本 論 文 實 驗 場 地 為 樹 德 科 技 大 學 圖 資 三 樓, 以 PVC 水 管 分 別 製 作 五 平 方 公 尺 六 平 方 公 尺 七 乘 五 平 方 公 尺 凹 形 地 圖 凸 形 地 圖 以 及 梯 形 地 圖, 以 SONY NEX-5 數 位 類 單 眼 相 機 拍 攝 清 潔 機 器 人 部 分 共 有 六 台, 分 別 以 實 驗 機 器 人 一 ~ 五 編 號 以 及 本 實 驗 室 所 研 發 自 製 清 潔 機 器 人 以 下 簡 稱 為 IIIT-Robot 清 潔 機 器 人 無 障 礙 覆 蓋 率 計 算 公 式 5.1 如 下 : 機 器 人 直 線 距 離 掃 刷 寬 度 100% 地 形 總 面 積 (5.1) 清 潔 機 器 人 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 計 算 公 式 5.2 如 下 機 器 人 直 線 距 離 掃 刷 寬 度 100% ( 地 形 總 面 積 障 礙 物 面 積 ) (5.2) 清 潔 機 器 人 重 覆 率 計 算 公 式 5.3 如 下 : ( 總 座 標 數 -覆 蓋 座 標 數 ) 100% 機 器 人 總 座 標 數 (5.3) 57

70 五 平 方 公 尺 量 測 結 果 表 二 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 五 平 方 公 尺 表 二 : 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 69.8% 29% 實 驗 機 器 人 二 86.1% 14% 實 驗 機 器 人 三 95.3% 19% 實 驗 機 器 人 四 69.6% 20% 實 驗 機 器 人 五 84.6% 34% IIIT-Robot 61.6% 31% 58

71 圖 37 中, 為 各 機 器 人 在 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 37 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 59

72 圖 38 為 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 38 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 60

73 六 平 方 公 尺 量 測 結 果 表 三 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 六 平 方 公 尺 表 三 : 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 59.2% 21% 實 驗 機 器 人 二 80.7% 9% 實 驗 機 器 人 三 69.7% 23% 實 驗 機 器 人 四 46.5% 23% 實 驗 機 器 人 五 67.4% 65% IIIT-Robot 72.7% 31% 61

74 圖 39 中, 為 各 機 器 人 在 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 39 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 62

75 圖 40 為 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 40 六 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 63

76 七 乘 五 公 尺 量 測 結 果 尺 表 四 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 七 乘 五 平 方 公 表 四 : 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 54% 32% 實 驗 機 器 人 二 50% 8% 實 驗 機 器 人 三 66% 22% 實 驗 機 器 人 四 52.7% 16% 實 驗 機 器 人 五 60.8% 23% IIIT-Robot 87.4% 15% 64

77 圖 41 中, 為 各 機 器 人 在 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 41 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 65

78 圖 42 為 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 42 七 乘 五 平 方 公 尺 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 66

79 凹 形 地 圖 量 測 結 果 表 五 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 凹 形 地 圖 表 五 : 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 73% 74% 實 驗 機 器 人 二 84.4% 16% 實 驗 機 器 人 三 87.1% 23% 實 驗 機 器 人 四 73% 23% 實 驗 機 器 人 五 44% 30% IIIT-Robot 90% 21% 67

80 圖 43 中, 為 各 機 器 人 在 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 43 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 68

81 圖 44 為 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 44 凹 形 地 圖 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 69

82 凸 形 地 圖 量 測 結 果 表 六 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 凸 形 地 圖 表 六 : 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 59% 28% 實 驗 機 器 人 二 87% 14% 實 驗 機 器 人 三 72% 26% 實 驗 機 器 人 四 52% 27% 實 驗 機 器 人 五 66% 23% IIIT-Robot 70% 17% 70

83 圖 45 中, 為 各 機 器 人 在 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 45 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 71

84 圖 46 為 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 46 凸 形 地 圖 無 障 礙 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 72

85 梯 形 地 圖 量 測 結 果 表 七 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 無 障 礙 物 梯 形 地 圖 表 七 : 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 86.1% 36% 實 驗 機 器 人 二 100% 18% 實 驗 機 器 人 三 100% 17% 實 驗 機 器 人 四 92% 28% 實 驗 機 器 人 五 98% 20% IIIT-Robot 100% 7% 73

86 圖 47 中, 為 各 機 器 人 在 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 47 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 運 行 路 徑 74

87 圖 48 為 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 48 梯 形 地 圖 無 障 礙 環 境 各 機 器 人 覆 蓋 率 75

88 5.1.4 清 潔 機 器 人 路 徑 分 析 - 模 擬 家 庭 環 境 量 測 結 果 在 模 擬 家 庭 環 境 中, 本 論 文 使 用 大 小 不 一 的 障 礙 物 模 擬 家 庭 環 境 中, 清 潔 機 器 人 運 作 時 可 能 會 遭 遇 到 的 情 形, 如 下 圖 49 所 示, 在 各 地 形 環 境 中, 搭 配 各 地 形 環 境 設 置 障 礙 物 的 大 小 以 及 位 置, 以 模 擬 最 真 實 的 家 庭 中 實 際 情 況 五 平 方 公 尺 六 平 方 公 尺 七 乘 五 平 方 公 尺 凹 形 地 圖 梯 形 地 圖 凸 形 地 圖 圖 49 模 擬 家 庭 環 境 設 置 圖 76

89 五 平 方 公 尺 量 測 結 果 地 圖 表 八 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 表 八 : 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 72% 45% 實 驗 機 器 人 二 97% 24% 實 驗 機 器 人 三 88% 34% 實 驗 機 器 人 四 70% 49% 實 驗 機 器 人 五 87% 31% IIIT-Robot 95% 29% 77

90 圖 50 中, 為 各 機 器 人 在 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 50 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 78

91 圖 51 為 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 51 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 79

92 六 平 方 公 尺 量 測 結 果 地 圖 表 九 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 表 九 : 六 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 55% 34% 實 驗 機 器 人 二 65% 34% 實 驗 機 器 人 三 63% 38% 實 驗 機 器 人 四 39% 48% 實 驗 機 器 人 五 63% 33% IIIT-Robot 60% 35% 80

93 圖 52 中, 為 各 機 器 人 在 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 52 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 運 行 路 徑 81

94 圖 53 為 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 53 六 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 機 器 人 覆 蓋 率 82

95 七 乘 五 公 尺 量 測 結 果 表 十 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 表 十 : 七 乘 五 平 方 公 尺 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 62.2% 33% 實 驗 機 器 人 二 83% 21.4% 實 驗 機 器 人 三 43.3% 35.3% 實 驗 機 器 人 四 58% 31.1% 實 驗 機 器 人 五 58% 36% IIIT-Robot 76% 30.1% 83

96 圖 54 中, 為 各 機 器 人 在 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 54 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 運 行 路 徑 84

97 圖 55 為 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 55 七 乘 五 平 方 公 尺 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 機 器 人 覆 蓋 率 85

98 凹 形 地 圖 量 測 結 果 圖 表 十 一 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 凹 形 模 擬 家 庭 環 境 地 表 十 一 : 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 80% 35% 實 驗 機 器 人 二 90% 23% 實 驗 機 器 人 三 94% 45% 實 驗 機 器 人 四 66% 39% 實 驗 機 器 人 五 62% 50% IIIT-Robot 80% 35% 86

99 圖 56 中, 為 各 機 器 人 在 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 56 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 87

100 圖 57 為 凹 形 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 57 凹 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 88

101 凸 形 地 圖 量 測 結 果 圖 下 表 十 二 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 凸 形 模 擬 家 庭 環 境 地 表 十 二 : 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 77% 48.4% 實 驗 機 器 人 二 62% 28% 實 驗 機 器 人 三 70% 43% 實 驗 機 器 人 四 57% 42.1% 實 驗 機 器 人 五 64% 37% IIIT-Robot 76% 31% 89

102 圖 58 中, 為 各 機 器 人 在 凸 形 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 58 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 90

103 圖 59 為 凸 形 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 各 機 器 人 覆 蓋 率 情 形 : 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 覆 蓋 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 覆 蓋 圖 IIIT-Robot 路 徑 覆 蓋 圖 圖 59 凸 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 機 器 人 覆 蓋 率 91

104 梯 形 地 圖 量 測 結 果 圖 表 十 三 為 視 覺 化 量 測 數 據 路 徑 分 析 結 果, 地 圖 大 小 為 梯 形 模 擬 家 庭 環 境 地 表 十 三 : 梯 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 覆 蓋 率 分 析 機 器 人 數 據 覆 蓋 率 重 覆 率 實 驗 機 器 人 一 81% 38% 實 驗 機 器 人 二 95% 35% 實 驗 機 器 人 三 90% 50% 實 驗 機 器 人 四 75% 37% 實 驗 機 器 人 五 84% 32% IIIT-Robot 95% 28% 92

105 圖 60 中, 為 各 機 器 人 在 梯 形 模 擬 家 庭 環 境 地 圖 中 運 行 路 徑 實 驗 機 器 人 ( 一 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 二 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 三 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 四 ) 路 徑 圖 實 驗 機 器 人 ( 五 ) 路 徑 圖 IIIT-Robot 路 徑 圖 圖 60 梯 形 地 圖 模 擬 家 庭 環 境 運 行 路 徑 93