Active stereo matching in planetary exploration environment

Rover deployment for planetary exploration is increasingly widespread and necessary for the scientific research, as it allows the exploration of new and far locations, whether on the Moon or on other Solar System planets or satellites, hardly reachable and hospitable for human expeditions. In order to optimize the functioning time, rovers need to be capable of autonomously make decisions upon how to advance into a mostly unknown context, without having to wait for instructions from the ground control center. The first step to take autonomous decisions is the awareness of the features and obstacles of the terrain on which it is proceeding. Environment reconstruction by stereoscopic vision systems is a well-known and studied method and has already been put to use in robotic missions. Although not very common, there is a new kind of stereoscopic system: beyond the two cameras, it features a projector to cast a pattern designed to aid the characterization of areas, on which traditional system would produce errors and mismatches. In this thesis work, this new system, called Active Stereo Matching, has been tested on a typical planetary exploration mission environment. An accurate simulation of a plausible Martian soil has been realized through Blender, a popular computer graphics software. A randomly placed pattern of dots has been projected on the simulated terrain and image acquisition was performed from the two positions corresponding to the two stereoscopic cameras. Suitable stereo matching algorithms have been implemented and used. Effectiveness of the projector for the improvement of the ground features reconstruction accuracy has been tested positively with respect to the case in which the projected pattern was absent and the advantage the Active Stereo Vision system produced has been quantified.

L'attività dei rover per l'esplorazione planetaria è sempre più diffusa e sempre più necessaria per la ricerca scientifica, poiché permette l'esplorazione di ambienti, lunari o di altri pianeti o satelliti del Sistema Solare, altrimenti difficilmente raggiungibili od ospitali per spedizioni umane. Al fine di ottimizzare i tempi di funzionamento, i rover hanno la necessità di poter prendere autonomamente decisioni riguardo al come muoversi in un contesto pressoché sconosciuto, senza dover aspettare i tempi di collegamento con il centro di controllo. Per poter prendere decisioni autonomamente il primo step necessario è una consapevolezza delle caratteristiche e degli ostacoli del terreno sul quale si muove. La ricostruzione dell'ambiente tramite visione stereoscopica è un metodo molto conosciuto e studiato, già utilizzato in missioni robotiche. Sebbene non molto diffuso, è presente anche un nuovo tipo di sistema stereoscopico: oltre alle due camere che compongono il sistema stereo, è caratterizzato dall'aggiunta di un proiettore per produrre un pattern che aiuti a caratterizzare aree che altrimenti causerebbero errori e mancate corrispondenze nei sistemi tradizionali. In questo lavoro di tesi, questo nuovo sistema, chiamato Active Streo Matching, è stato testato in un ambiente caratteristico per missioni di esplorazione planetaria. Attraverso Blender, un diffuso software di computer grafica, è stata effettuata un'accurata simulazione di un possibile suolo marziano, sul quale è stato proiettato un pattern di punti in posizioni casuali. Sono state acquisite le immagini da due posizioni per simulare due camere stereoscopiche e sono stati implementati e testati adeguati algoritmi di stereo matching. È stata verificata l'effettiva efficacia del proiettore nel migliorare l'accuratezza della ricostruzione delle caratteristiche del terreno rispetto al caso in cui la proiezione fosse assente ed è stato quantificato il vantaggio che l'active stereo vision ha prodotto.