Το αντικείμενο της εργασίας είναι η τρισδιάστατη ανακατασκευή ενός αντικειμένου ή ενός χώρου, μέσα από τουλάχιστο δύο φωτογραφίες του. Το θέμα της εργασίας είναι μέρος του τομέα της Υπολογιστικής Όρασης, που έχει μεγάλη άνθιση τα τελευταία χρόνια λόγω των πολλών εφαρμογών, όπου η γνώση της τρισδιάστατης δομής ενός αντικειμένου ή ενός χώρου κρίνεται απαραίτητη. Βέβαια, συνέβαλε σε αυτό και η ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών, με αποτέλεσμα να είναι δυνατή η ακριβής και ποιοτική απεικόνιση σύνθετων τρισδιάστατων σκηνών σε πραγματικό χρόνο, μέσω κατάλληλων αλγορίθμων. Η τρισδιάστατη ανακατασκευή ενός αντικειμένου ή ενός χώρου, από φωτογραφίες ή βίντεο αποτελεί ένα ενδιαφέρον και εντυπωσιακό θέμα με πολλές εφαρμογές και πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Αυτά αποτέλεσαν ουσιαστικά και το έναυσμα για την ενασχόλησή μου με τον τομέα της Υπολογιστικής Όρασης και την επιλογή του θέματος της εργασίας. Οι εφαρμογές που αναπτύσσονται στα πλαίσια της εργασίας παρέχουν οπτικά ευχάριστα αποτελέσματα και έχουν μεγάλη προσαρμοστικότητα και ευελιξία στης διάφορες συνθήκες φωτογράφησης ή λήψης βίντεο. Το σημαντικό, λοιπόν, είναι ότι δεν χρειάζεται απαραίτητα περιβάλλον εργαστηρίου για την λήψη των δεδομένων, δηλαδή των εικόνων. Προκύπτουν καλά αποτελέσματα ακόμα και με εικόνες που λήφθηκαν μέσω μίας απλής φορητής φωτογραφικής κάμερας, χωρίς τρίποδα για στήριξη. Αρκεί απλά να δημιουργήσουμε τις προϋποθέσεις για μικρή κίνηση της κάμερας μεταξύ των λήψεων των εικόνων. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται και εξετάζονται διεξοδικά όλα τα θέματα που αφορούν την τρισδιάστατη οπτικοποίηση των αντικειμένων. Αρχικά, στις παραγράφους 2.1 έως 3.2, αναλύεται η θεωρία των δύο κυριότερων μεθόδων της "Δομής και Κίνησης" και της "Στερεοσκοπικής Όρασης" . Στην συνέχεια στις παραγράφους 3.3 και 3.4 αναπτύσσεται η μεθοδολογία που ακολουθείται από τις εφαρμογές της Δομής και Κίνησης , ενώ της Στερεοσκοπική Όρασης αναπτύσσεται στην 3.5 . Στην μέθοδο της Δομής και Κίνησης περικλείονται δύο περιπτώσεις. Η πρώτη είναι η μη βαθμονομημένη περίπτωση και η δεύτερη είναι η βαθμονομημένη. Στην δεύτερη, λοιπόν, προηγείται η βαθμονόμηση της κάμερας, οπότε είναι γνωστές εκ των προτέρων οι παράμετροι της κάμερας . Η υλοποίηση των αλγορίθμων γίνεται στο παράρτημα, με την βοήθεια του περιβάλλοντος αριθμητικής υπολογιστικής της προγραμματιστικής γλώσσας Matlab. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο, δίνονται κάποια παραδείγματα ανακατασκευών που αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα των αλγορίθμων της υλοποίησης. Τόσο η θεωρία, όσο και οι αλγόριθμοι που παρουσιάζονται στην παρούσα εργασία καλύπτουν πλήρως τις απαραίτητες γνώσεις για την υλοποίηση της τρισδιάστατης αναπαράστασης. Συσσωρεύτηκαν πληροφορίες από δύο μεθόδους, δηλαδή της Δομής και Κίνησης αλλά και της Στερεοσκοπικής Όρασης, οι οποίες συνδυασμένες δίνουν βέλτιστα και αρτιότερα αποτελέσματα. Πρωταρχικός στόχος της εργασίας είναι η ανάδειξη των δυνατοτήτων που παρέχουν οι συγκεκριμένες μέθοδοι. Από την άλλη μεριά, η υλοποίηση των δύο μεθόδων και κατά συνέπεια των αλγόριθμων, αποτελούν μία αρκετά καλή βάση για περαιτέρω ανάπτυξη και προώθηση για μελλοντική έρευνα στον εν λόγω τομέα. Ούτως ή άλλως, τα τελευταία χρόνια, η ερεύνα που αφορά την Υπολογιστική Όραση έχει αποδώσει και έχει δημιουργήσει ικανοποιητικότατα αποτελέσματα. Οπότε στο μέλλον αναμένονται ισχυρότεροι αλγόριθμοι, βελτιώσεις αλλά και πολλές εφαρμογές στους εξελισσόμενους τομείς της ηλεκτρονικής και όχι μόνο. / The purpose of this thesis is the three-dimensional reconstruction of an object or a space, through at least two photos. The theme is part of the field of Computer Vision, which has known great development in the recent years due to the many applications, where the knowledge of the three-dimensional structure of an object or a space is necessary. Of course to this development contributed also the rapid evolution of computers, making possible the accurate and high quality display of complex three-dimensional scenes in real time, through appropriate algorithms. The three-dimensional reconstruction of an object or a space, using photos or video, is an interesting and impressive subject with many applications and very encouraging results. This was basically what intrigued me to involve with the field of Computer Vision and choose the topic of this thesis. The applications in this thesis provide visually pleasant results and have great adaptability and flexibility in various conditions of shooting and making of videos. What is important, therefore, is that a laboratory environment to obtain the data, meaning images, is not necessary. The results are satisfactory even with pictures taken by a simple handheld camera, without the use of a tripod. It’s enough if we just create the proper conditions for a small camera movement between the shots. The present thesis presents and discusses thoroughly all the subjects related with the three-dimensional visualization of objects. First in paragraphs 2.1 to 3.2, is analyzed the theory of the two most important methods, of "Structure and Motion" and of "Stereo Vision". Then in paragraphs 3.3 and 3.4 is discussed the methodology followed by the applications of Structure and Motion , and this of Stereo Vision is discussed in paragraph 3.5. The method of Structure and Motion encloses two cases. The first is the non-calibrated case and the second is the calibrated case. In the calibrated case the calibration of the camera comes first, so the parameters of the camera are known in advance. The implementation of the algorithms is in the Annex, with the help of the numerical computing environment of the programming language Matlab. Finally, in chapter four, are given same examples of reconstructions that demonstrate the effectiveness of the algorithms of implementation. Both the theory and the algorithms presented in this thesis cover fully the necessary knowledge for the materialization of the three-dimensional representation. The information are is accumulated by two methods, this of Structure and Motion and this of Stereo Vision, which combined give the best and most complete results. Primary objective of this thesis is to highlight the possibilities offered by these methods. On the other hand, the implementation of these two methods and thus the algorithms is a good basis for further development and promotion for future research in this field. Anyway, in recent years, the research on Computer Vision has given great results. So in the future are expected stronger algorithms, improvements but also many applications relating with the developing sector of electronics and more.

Η παρούσα εργασία εστιάζει στη διαδικασία δημιουργίας του χάρτη απωλειών ρεύματος της δέσμης ηλεκτρονίων κατά μήκος της Tρίτης Πειραματικής Διάταξης για το Συμπαγή Γραμμικό Επιταχυντή του Ευρωπαϊκού Κέντρου Πυρηνικών Ερευνών CERN (Beam Loss Map for Clic Test Facility 3). Ο χάρτης απωλειών χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των σημείων στα οποία υπάρχει απώλεια ρεύματος των φορτίων της δέσμης. Ο προσδιορισμός των σημείων αυτών είναι πρωτεύουσας σημασίας, τόσο από θεωρητική όσο και από πρακτική πλευρά, επειδή πιθανές απώλειες συνεπάγονται αυξημένους κινδύνους έκθεσης σε ακτινοβολία για τον άνθρωπο, πιθανές βλάβες στα μαγνητικά στοιχεία, αλλά και μείωση της ισχύος της δέσμης. Στο πρώτο μέρος της εργασίας, παρουσιάζεται το Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών και οι πειραματικές εγκαταστάσεις στις οποίες έγινε η παρούσα εργασία. Στη συνέχεια, περιγράφεται η συλλογή και ανάλυση των δεδομένων με στόχο την χαρτογράφηση των σημείων απώλειας ρεύματος δέσμης στο σύμπλεγμα του CTF3. / The Diploma Thesis focuses on creating the Beam Loss Map for Compact Linear Collider Test Facility 3, at CERN. The goal of the project is the allocation of the points where beam current losses occur. Defining these points is of great importance, because any loss of beam current, especially at the maximum energy of 150 MeV, can induce radiation activation along the machine, which is dangerous for both the hardware and the personnel who need to service the machine. In the first part of the project, CERN, LHC and CLIC are presented. The second part contains data analysis, presentation of the calibration procedure of the BPMs, the new scaling factors and finally the Beam Loss Map for CTF3.

Η παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε στα πλαίσια των προπτυχιακών σπουδών του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Θέμα της είναι η τρισδιάστατη ανακατασκευή του χώρου από τουλάχιστον δύο φωτογραφίες του και αποτελεί μέρος του τομέα της Υπολογιστικής Όρασης. Συγκεκριμένα αναλύεται διεξοδικά η περίπτωση της στερεοσκοπικής όρασης, στην οποία η κάμερα μεταξύ δύο διαδοχικών λήψεων της ίδιας σκηνής, έχει μηδενική σχετική περιστροφή ως προς την αρχική της θέση και μικρή μετατόπιση, περίπου 5 εκατοστά. Με τον τρόπο αυτό, προσπαθούμε να προσομοιώσουμε τη λειτουργία της ανθρώπινης όρασης καθώς πολλές εφαρμογές της Τεχνητής Νοημοσύνης το κρίνουν απαραίτητο. Είναι λογικό ότι ο κάθε άνθρωπος θεωρεί τη στερεοσκοπική όραση αυτονόητη γιατί κινείται στον τρισδιάστατο κόσμο. Όταν αυτός όμως καταγράφεται από μία κάμερα, αυτόματα περνάει στο δισδιάστατο επίπεδο. Και πάλι είναι δυνατόν να εξάγουμε πληροφορίες βάθους από μία μόνο εικόνα, όμως γίνεται καθαρά εμπειρικά και βασίζεται στη σύγκριση διάφορων υφών, σχημάτων και μεγεθών. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής αναγνωρίζει την εικόνα σαν ένα οποιοδήποτε αρχείο. Δεν μπορεί να εξάγει κανένα συμπέρασμα για το τι απεικονίζει στον πραγματικό κόσμο. Χρειάζεται το συνδυασμό τουλάχιστον δύο εικόνων της ίδιας σκηνής από διαφορετικές θέσεις για να μπορέσει να αναγνωρίσει για παράδειγμα το βάθος της σκηνής που απεικονίζεται. Αυτή τη διαδικασία περιγράφει αναλυτικά η εργασία. Στο πρώτο κεφάλαιο εισάγουμε την έννοια και τη χρησιμότητα της στερεοσκοπικής όρασης. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι βασικές αρχές της προβολικής γεωμετρίας. Στο τρίτο κεφάλαιο αναφερόμαστε στη μοντελοποίηση της κάμερας και τις παραμέτρους που τη χαρακτηρίζουν. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύεται η διαδικασία της βαθμονόμησης της κάμερας. Στο πέμπτο κεφάλαιο εξηγείται η διαδικασία αντιστοίχησης των σημείων ενδιαφέροντος στις δύο εικόνες. Στο έκτο κεφάλαιο αναλύονται οι βασικές αρχές της επιπολικής γεωμετρίας. Στο έβδομο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική διαδικασία για την εύρεση του βάθους της σκηνής. Στο όγδοο κεφάλαιο παρουσιάζεται συνοπτικά η τρισδιάστατη ανακατασκευή του χώρου και παρουσιάζονται τα αντίστοιχα πειραματικά αποτελέσματα. Στο ένατο κεφάλαιο διατυπώνουμε τα συμπεράσματα της όλης διαδικασίας. Τόσο το θεωρητικό όσο και το πειραματικό μέρος αυτής της εργασίας καλύπτουν σε ένα μεγάλο ποσοστό τα βασικά στάδια ανακατασκευής του τρισδιάστατου χώρου. Τα αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας αποδεικνύουν ότι οι υπάρχουσες μέθοδοι λειτουργούν ικανοποιητικά αλλά υπάρχουν πολλά περιθώρια βελτίωσης στο θέμα της Υπολογιστικής Όρασης. Στο σημείο αυτό να ευχαριστήσουμε τον επιβλέποντα καθηγητή μας κ. Δερματά για τη συνεργασία του και την κατανόησή του. / The current thesis has been written as part of the undergraduate studies for the department of Electrical and Computer Engineering of Patras University. Its objective is the three-dimensional (3D) reconstruction from two, at least, photographs, which is part of computer vision. More specifically, this thesis analyzes in detail the case of stereo vision when the camera, among two successive shots of the same image, has zero relative rotation compared to its initial position and an average translation of about 5 cm. In this way, it attempts to simulate human vision since this is essential for many Artificial Intelligence applications. Humans take stereo vision for granted since they live in a three-dimensional world. However, this world becomes two-dimensional when recorded by a camera. We can still get information about the image depth but this is empirically done based on comparing various heights, shapes and sizes. Images are identified by the computer as any other file. Computers cannot draw conclusions about what is depicted in the real world. They need to combine at least two images of the same scene and of different positions to identify the image’s depth. This process is described in the current thesis. The first chapter describes stereo vision and why it is so useful. The second chapter provides the basic principles of projective geometry, the mathematical background for passing from the two-dimensional level to the three-dimensional. The third chapter refers to camera modeling and its parameters (instrisic and extrinsic). Chapter four analyzes the camera calibration process. Chapter five explains the matching process of points of interest in both pictures. The sixth chapter provides the basic principles of epipolar geometry. The seventh chapter shows the experimental procedure that we followed in order to estimate the depth of the scene. Chapter eight shows how the 3D reconstruction is finally done. Chapter nine talks about our conclusions and how the results could improve. Both theoretical and experimental parts of this project cover the key points of 3d reconstruction. The results of the experiments show that the existing methods are satisfying but could improve more. We want to thank our supervisor professor Mr. Dermatas for his collaboration and his understanding.