角度估測

在角度估測的部分，分為兩個部份，第一是車身角度；第二是炮塔及炮管角度。前 小節已經提出了，利用自動搜尋高度的方式就可以切割出坦克車車身的部分，也提出過 要對一比資訊快速計算角度的方式就是利用主成份分析法，若直接將切割過後的車身部 分進行主成份分析法，會得到圖 3.31，從圖中的綠色主軸線可以發現，由於是側拍得到 的局部點雲資訊，造成主軸偏差，很明顯的並非我們所期待的車身方向。為了得到更正 確的車身方向，本論文的做法，考慮車身的方向等同於車身邊緣(edge)的方向，如果能 夠抽取出車身的邊緣，那車身方向也就唾手可得，所以本論文第一步是想辦法找出車身 的邊緣。

圖 3.31 主成份分析主軸結果(從上往下看)。

過去邊緣抽取的演算法，都是針對二維影像所開發的，針對三維點雲資訊，本論文 的做法是，首先將三維點雲投影到 xy-平面，再將資料網格化，考慮下圖 3.32，由於物 件的邊緣有高低的落差，框框內的邊緣會拍攝到較多的點數，所以本論文利用這樣的特 點來對點雲進行網格化的邊緣抽取。

圖 3.32 邊緣抽取範例圖。

首先將點雲資料投影到一個 xy-平面，如圖 3.33，再分別在 x 軸以及 y 軸以一定的 距離 d 將點雲資訊給與一個索引值，d 的設定建議是與儀器的精準度相同。

圖 3.33 網格化示意圖。

以本論文為例，是根據體感遊樂器的精度設定 d=1 公分。網格化後，計算每一格中，

含有多少個點雲資訊，以二維影像的方法表示如圖 3.34，圖 3.34 中可以看到邊緣部分 亮度相對中間來的高，這是因為邊緣的部分是從高到低都有點雲分部，邊緣的像素質會 因為含有較多點雲資訊所以來的較高，對圖 3.34 找出像素質高的前 n 筆可以得到如圖 3.35 的結果。

圖 3.34 網格化結果。

圖 3.35 抽取最多點雲區塊結果。

並利用圖 3.35 的結果，找出這些像素對應的點雲資訊，如圖 3.36，抽出邊緣點雲 後，因為資料已經不再是局部資訊所以直接進行主成份分析法，即可獲得車身角度，如 圖 3.37。觀察圖 3.37 可以發現估測出的主軸較圖 3.31 所估測出的主軸，與期待的車身 方向更為符合，但估測車身方向，仍然有一個問題，就是到底哪邊是車頭？哪邊是車尾？

兩者相差一百八十度，僅靠主成份分析抽取出的主軸，是無法得知的，所以觀察了坦克 車本身，發現由於一般坦克車中，座艙一般皆會位於坦克車的後方，為了要讓裡面能夠 運載更多士兵，通常空間會較大、較高，而車頭的部分因為是引擎的位置，所以並不需 要太高，這樣的原因，讓大多數的坦克車，有著前面低，後面高的特性，所以本論文也 依照這樣的特性，比較主軸前端以及後端點雲的高度，較低者為車頭；較高者為車尾，

若主軸估測相反，則將主軸向量乘上-1 就可以得到正確的主軸向量。

圖 3.36 綠色點為對應之邊緣點雲。

圖 3.37 配合網格化邊緣抽取之主軸結果。

有了主軸向量 v=(vx,vy,vz)後，將向量帶入下式(3.1)，就可以得到車身角度(yaw)，以 上是車身方向的估測方法，接下來將介紹炮塔以及炮管的估測方式。

1

2 2

cos ( ^x )

x y

v v v

  ^

 (3.1)

炮管及炮塔的角度估測與車身估測的方式類似，都是搭配主成份分析法來完成的，

在過去，大多數的論文並未對炮管進行切割，對炮塔的估測都是將炮塔加上炮管是為一 個物體來進行角度的估測，但這樣效果並不好如圖 3.38：

圖 3.38 未經切之之主軸分析。

觀察圖 3.38 中可以發現未經切割的主軸分析結果，與期待的炮塔方向是有落差的，主 要原因也是因為單側拍攝時，資料不全所導致的結果，但如果經由前一章節的方式進行 切割，同樣的對炮管部分進行網格化並找出點數多的區塊，如圖 3.39 的綠色點，再對 這些點雲資訊進行主軸分析，如圖 3.39：

圖 3.39 切割後之主軸分析。

圖 3.39 中，可以觀察切割、網格化後再加上主成份分析法的結果，較圖 3.38 未切割的 結果來的更好，但是結果與期待的方向仍有些微的差異，這是因為炮管本身小，相對的 雜訊影響更為嚴重，所以會導致主軸偏差嚴重，本論文為了能找到更好的角度結果，利 用以下方法來進行修正，首先將炮管投影至 xy-平面，再對點雲利用最小平方法來進行 角度估測，結果如圖 3.40。從圖 3.40 中，可以發現利用最小平方法估測出的角度，相 較於主成份分析法所估測出的較度來的更為準確，而估測出了主軸向量後，仍需考慮方 向是否有完全相反，本論問評估的方法是計算出炮塔重心至炮管重心的向量v

，只要估 測出的向量與v

的夾角小於90^則是正確方向，反之則代表方向相反，只要乘上-1 就會 是正確的炮塔方向最後再把炮管方向向量代入式(3.1)就可以得到旋轉角度。

圖 3.40 主成份分析法及最小平方法估測比較。

考慮圖 3.40 中的炮管，利用最小平方法的估測結果如圖 3.42：

圖 3.42 利用最小平方法計算之主軸。

將主軸方向代入式(3.1)，就可以得到對應的角度，即完成了抬升角的估測。以上就是本 論文估測坦克車各部位的方法，利用抽取邊緣，減少主成份分析法受局部點雲的影響，

來找出車身角度；也利用網格化的方法將炮管中較重要的部分利用最小平方法估測來得 到炮管及炮塔的角度，本論文將在下一章進行大量實驗來驗證本論文演算法的正確性。