بهبود کارآیی روش مینیمم تابع اختلاف تصویر چرخشی با استفاده از الگوریتم CMA-ES در جهت یابی بهینه

محورهای موضوعی : آمار

سید وحید لکزیان ¹ (گروه ریاضی، دانشگاه پیام نور، ص. پ.19395-3697، تهران، ایران)
موسی الرضا شمسیه زاهدی ² (گروه ریاضی، دانشگاه پیام نور، ص. پ.19395-3697، تهران، ایران)
عقیله حیدری ³ (گروه ریاضی، دانشگاه پیام نور، ص. پ.19395-3697، تهران، ایران)
مجید انجیدنی ⁴ (گروه کامپیوتر، دانشگاه پیام نور، ص. پ.19395-3697، تهران، ایران)

تاریخ دریافت : 1401/01/16 تاریخ پذیرش : 1401/06/15 تاریخ انتشار : 1402/03/01

کلید واژه: Panoramic image, image processing, Rotational image difference function (rIDF), Optimal navigation,

چکیده مقاله :

جهت‌یابی یک توانایی حیاتی برای انسان و حیوان محسوب می‌گردد. برای بهبود مهارت‌های جهت‌یابی در ربات‌ها، می‌توان از روشی که حشرات در طبیعت با کمک آن جهت‌یابی می‌کنند، الهام گرفت. یک سوال اصلی در مورد حشراتی که به‌ کمک توانایی بصری خود جهت‌یابی می‌کنند؛ این‌ است که آن‌ها چه اطلاعاتی از تصاویر ‌طبیعی را در پیدا کردن جهت حرکت استفاده می‌کنند؟ برای جهت‌یابی، می‌توان از روش ‌مینیمم تابع ‌‌‌اختلاف تصویر چرخشی ‌ (MrIDF) به کمک پردازش تصاویر پانوراما استفاده کرد [1]. در روش MrIDF حتی با شیفت کامل در صورتی-که فاصله مکان تصویر نمای فعلی تا تصویر مرجع زیاد شود، نمی‌توان مسیر برگشت را به دلیل زیاد شدن اختلاف دو تصویر، به‌‌درستی شناسایی کرد. در این مقاله، ما راه‌کاری ارائه می‌دهیم که در نقاط دور از مکان مرجع نیز، می‌توان مسیر و زاویه برگشت را شناسایی ‌کرد. همچنین با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی استراتژی ‌تکاملی ‌انطباق ‌ماتریس ‌کوواریانس (CMA-ES)، کارآیی روش‌ MrIDF را بهبود می‌بخشیم و در ادامه کارآیی آن ‌را در قالب یک مثال ناوبری نشان می‌دهیم. نتایج نشان می‌دهند که یافتن جهت حرکت از طریق الگوریتم پیشنهادی، با دقت کافی و در زمان بسیار کمتری انجام می‌شود.

چکیده انگلیسی:

Orientation is a vital ability for humans and animals. Noticing the way insects orient in nature can be used to improve the orientation skills of robots. The main question of this research can be stated as follows. What kind of information do insects perceive of natural scenes, using their visual ability, that enables them to orient and to find the direction of movement? For orientation, the minimum of rotational image difference function (MrIDF) method can be applied using panoramic image processing [1]. In MrIDF method, even with full shift, if the distance between the location of the current view image and the reference image increases, the return path cannot be correctly identified due to the increase in the difference between the two images. In this paper, we present a solution that can be used to identify the path and return angle in places far from the reference location. We also improve the efficiency the rotIDF minimum method by using the covariance matrix adaptation evolutionary strategy (CMA-ES) optimization algorithm. We show the efficiency of this method via a navigation example. The results show that finding the direction of movement through the proposed algorithm is done with sufficient accuracy and in much less time.

منابع و مأخذ:

 

[1]  W, Zeil J. Depth, contrast and view-based homing in outdoor scenes. Biological Cybernetics.2007; 96:219-531.

 

[2] M. Giurfa and E. A. Capaldi, ‘‘Vectors, routes and maps: new discoveries about navigation in insects,’’ Trends Neurosci. 22, 237-242 (1999).

 

[3] Cartwright BA, Collett TS. Landmark learning in bees-experiments and models. J Comp Physiol. 1983;151:521-543.

 

[4] Wehner R,  F. Visual spatial memory in desert ants, Cataglyphis bicolor (Hymenoptera: Formicidae).Cell Mol Life Sci. 1979; 35: 1569-1571

 

[5] Zeil J, Hofmann MI, Chahl JS. Catchment areas of panoramic snapshots in outdoor scenes. J Opt SocAm A.2003; 20: 450-469.

 

[6] Baddeley B, Graham P, Husbands P, Philippides A (2012) A Model of Ant Route Navigation Driven by Scene Familiarity. PLoS Comput Biol 8(1): e1002336. Doi:10.1371/journal.pcbi.1002336

 

[7] Zahedi MS, Zeil J (2018) Fractal dimension and the navigational information provided by natural scenes. PloS ONE 13(5): e0196227. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0196227.

 

[8] Pardalos P. and Romeijn E., eds. (2002) Handbook of global optimization, Vol. 2, Kluwer Acad. Publ., Dordrecht.

 

[9] Beyer HG, Schwefel HP. Evolution strategies - a comprehensive introduction. Nat. Comput. 2002; 1(1):3–52. doi: 10.1023/a:1015059928466. [CrossRef] [Google Scholar]

 

[10] Holland JH. Genetic algorithms. Sci. Am. 1992;267(1):66-73. doi:10.1038/ scientificamerican 0792-66. [CrossRef] [Google Scholar]

 

[11] Roubos J, van Straten G, van Boxtel A. An evolutionary strategy for fed-batch bioreactor optimization; concepts and performance. J. Biotechnol. 1999; 67(2–3):173–187. doi: 10.1016/s0168-1656(98) 00174-6. [CrossRef] [Google Scholar]

 

[12] Zeugmann T, et al. Particle swarm optimization. In: Sammut C, Webb GI, et al., editors. Encyclopedia of Machine Learning. Heidelberg: Springer; 2011. pp. 760–766. [Google Scholar]

 

[13] Storn R, Price K. Differential evolution-a simple and efficient heuristic for global optimization over continuous spaces. J. Global Optim. 1997; 11(4): 341–359. doi: 10.1023/A:1008202821328. [CrossRef] [Google Scholar]

 

[14] N. Hansen, S. D. , and P. Koumoutsakos. Reducing the time complexityof the derandomized evolution strategy with covariance matrix adaptation. Evolutionary Computation, 11(1):1-18, 2003.

 

[15] Anjidani M, Motlagh MJ, Fathy M, Ahmadabadi M. A novel online gait optimization approach for biped robots with point-feet. ESAIM: COCV, 25 (2019) 81. Published online:19 December 2019. DOI: 10.1051/cocv/2017034

 

[16] Akimoto Y, Hansen N. CMA-ES and Advanced Adaptation Mechanisms, GECCO '21: Proceedings of the Genetic and­Evolutionary­Computation Conference Companion. July 2021. Pages 636–663. https://doi.org/10.1145/3449726.3462748

 

[17] Nikolaus Hansen. 2016. The CMA Evolution Strategy: A Tutorial. ArXiv e-prints (April 2016). arXiv: cs.LG/ 1604.00772

 

[18] N. Hansen. The CMA evolution strategy: a comparing review. In J. A. Lozano, P. Larranaga, I. Inza, and E. Bengoetxea, editors, Towards a new evolutionary computation. Advances on estimation of distribution algorithms, pages 75-102. Springer, 2006.

 

[19]  W, Grixa I, Mair E, Narendra A, Zeil J. Three-dimensional models of natural environments and the mapping of navigational information, Journal of Comparative Physiology A.2015; 201: 563±584.

 

[20] Gonzalez, R. C. , and Woods, R. E. (2002), Digital Image Processing (2nd ed.), Prentice-Hall, Inc., ISBN0-201-18075-8