PDF de programación - ARGES: Sistema de Posicionamiento en Interiores Basado en Técnicas de Realidad Aumentada

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
ESCUELA SUPERIOR DE INFORMÁTICA

INGENIERÍA

EN INFORMÁTICA

PROYECTO DE FIN DE CARRERA

ARGES: Sistema de Posicionamiento en Interiores Basado en Técnicas

de Realidad Aumentada

Ricardo Muñoz Castellanos

Febrero, 2012

UNIVERSIDAD DE CASTILLA-LA MANCHA
ESCUELA SUPERIOR DE INFORMÁTICA

Departamento de Informática

PROYECTO FIN DE CARRERA

ARGES: Sistema de Posicionamiento en Interiores Basado en Técnicas

de Realidad Aumentada

Autor: Ricardo Muñoz Castellanos
Director: Carlos González Morcillo

Febrero, 2012

E-mail: [email protected]
c 2012 Ricardo Muñoz Castellanos.

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TRIBUNAL:

Presidente:

Vocal 1:

Vocal 2:

Secretario:

FECHA DE DEFENSA:

CALIFICACIÓN:

PRESIDENTE

VOCAL 1

VOCAL 2

SECRETARIO

Fdo.:

Fdo.:

Fdo.:

Fdo.:

“Tenemos dos ojos, pero solo una visión del mundo”
Susan Barry

Resumen

El campo de la visión por computador y de la Realidad Aumentada (RA) ha experimen-
tado un gran auge en los últimos años, gracias, en gran parte, a los nuevos paradigmas de
interacción, que surgen del preciso posicionamiento con 6 grados de libertad que se obtiene
mediante el tracking óptico.

Actualmente existen multitud de servicios proporcionados sobre la base del geoposi-
cionamiento, ya sea sobre dispositivos receptores GPS o en teléfonos móviles. Es habitual
la utilización de esta tecnología como ayuda a la conducción o para localizar lugares de in-
terés turístico en ciudades. Sin embargo, la propia naturaleza de GPS no permite su utilización
en el interior de edificios.

En el proyecto Arges se plantea el desarrollo de un sistema de posicionamiento y orien-
tación en interiores empleando diversos métodos basados en Visión por Computador (VC) y
tracking 3D. El enfoque modular del proyecto permite la utilización de diferentes algoritmos
y técnicas complementarias (como el uso de marcas visuales, descriptores de imagen o la
construcción de mapas del entorno mediante visualización estereoscópica) que pueden ser
utilizadas para calcular la posición del usuario en el interior de un edificio con gran precisión.

XI

Abstract

Computer Vision and Augmented Reality (AR) fields have experimented great advances
in the latest years. This improvement is due to the development of new interaction paradigms
which are based on the accurate positioning with 6 degrees of freedom obtained through
optical tracking.

Nowadays, a great amount of services are provided over the base of geopositioning. This
technology is commonly used to help driving or to locate touristic interest areas. However,
due to the GPS characteristics, the positioning is not possible indoors.

The main objective in the Arges project can be defined as the development of a system for
positioning and orientation in indoor environments using different techniques based on com-
puter vision (CV) and 3D tracking. The component-based architecture of the project allows
the usage of different algorithms and techniques (such as visual beacons, image descriptors
or environment mapping trough visual stereo) which can be utilized to obtain the 3D position
inside a building with great accuracy.

XIII

Agradecimientos

Quiero dar las gracias a mi familia, en especial a mis padres y mi hermano, por su contínuo

apoyo, cariño y por animarme siempre a seguir adelante.

Gracias a Isabel, por ser mi lugar en el mundo y mi alegría de cada día.
Gracias a todos los amigos que me han acompañado en los duros días de estudio a lo
largo de la carrera. A mis compañeros de clase, en especial Pablo, con quien más noches de
insomnio he compartido. A mis amigos de la residencia José Castillejo, con los que estuve
viviendo durante 5 largos años y que son los que me han visto “crecer” como ingeniero
informático.

Y, por supuesto, muchas gracias a los miembros de Oreto, por toda la ayuda y amistad que
me han prestado y por cederme un hueco para trabajar dentro de su laboratorio. En especial,
gracias a Carlos González Morcillo, por todo el tiempo que ha dedicado en mí y mi proyecto,
por su ayuda, su paciencia y su amistad.

Sin vosotros, nada de esto habría sido posible.

Ricardo Muñoz Castellanos

Índice general

Resumen

Abstract

Índice general

Índice de figuras

Índice de tablas

Lista de algoritmos

Listado de acrónimos

1. Introducción

1.1. Visión por computador y Realidad Aumentada . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impacto socio-económico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.
1.3.
Justificación y problemática
.
1.4. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. Antecedentes

2.2. Odometría .

.
2.2.1. SLAM .

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2.1.

Informática Gráfica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Base matemática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Visión por Computador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1. Fundamentos ópticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
2.3.2. Tracking y métodos de tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Visión Estereoscópica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.1. Geometría epipolar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
2.4.2. Fundamentos matemáticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2.5.1. Estándar MPEG-7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2.5. Metadatos .

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.

3. Objetivos

XVII

XI

XIII

XIX

XXI

XXV

XXVII

XXIX

1
2
3
4
5

7
8
8
15
16
22
22
24
26
27
28
33
34

39

XVIII

4. Metodo de trabajo

ÍNDICE GENERAL

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4.1. Metodología de trabajo .
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4.2. Herramientas
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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.2.1. ARToolkit . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2. OpenCV . .
4.2.3. MPEG-7 FexLib .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.4. Otras herramientas software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.5. Hardware . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5. Arquitectura

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5.1. Módulo de calibración de la cámara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2. Módulo de Entrada/Salida
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.1. Submódulo de entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2.2. Submódulo de salida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Módulo de Cálculo del Posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.1. Submódulo de histórico de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3.2. Factoría de métodos de tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Módulo de tracking con marcas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Inicialización del sistema de tracking . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.1.
5.4.2. Detección de una marca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4.3. Obtención del posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.1.
Implementación de los descriptores visuales . . . . . . . . . . . . . .
5.5.2. Almacenamiento en la base de datos . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5.3. Estructura de datos para agilizar la búsqueda . . . . . . . . . . . . .
5.5.4. Obtención de la posición y la orientación . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.1. Extracción de parámetros intrínsecos
. . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.2. Extracción de landmarks y optical flow . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6.3. Cálculo de la matriz fundamental y la matriz esencial . . . . . . . . .
5.6.4. Extraer matriz de rotación y vector de traslación . . . . . . . . . . .
5.6.5. Triangulación y proyección de los landmarks . . . . . . . . . . . . .

5.5. Módulo de tracking con descriptores visuales

5.6. Módulo de tracking estéreo .

6. Evolución y costes

6.1. Evolución del proyecto . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.1. Concepto del software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.2. Análisis de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.3.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.4.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.5.
6.1.6.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1.7.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Iteración 1 . .
Iteración 2 . .
Iteración 3 . .
Iteración 4 . .
Iteración 5 . .

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6.2. Recursos y costes