Краткое руководство по ROS (операционной системе для роботов)#
Это руководство показывает, как интегрировать Ultralytics YOLO с ROS1 (rospy) или ROS2 (rclpy) для выполнения обнаружения объектов и сегментации в реальном времени на изображениях RGB, изображениях глубины и облаках точек.
Перейди к разделу настройки YOLO с ROS, а затем работай с изображениями RGB, изображениями глубины или облаками точек.
Что такое ROS?#
ROS (операционная система для роботов) — это среда с открытым исходным кодом, широко используемая в робототехнических исследованиях и промышленности. ROS предоставляет набор библиотек и инструментов, помогающих разработчикам создавать приложения для роботов. ROS рассчитана на работу с различными робототехническими платформами, что делает её гибким и мощным инструментом для специалистов по робототехнике. Для краткого знакомства посмотри трёхминутное видео Введение в ROS от Open Robotics.
Ключевые возможности ROS#
-
Модульная архитектура: ROS имеет модульную архитектуру, позволяющую разработчикам создавать сложные системы, объединяя небольшие повторно используемые компоненты, называемые узлами. Каждый узел обычно выполняет определённую функцию, а узлы обмениваются сообщениями через топики или сервисы.
-
Коммуникационное промежуточное ПО: ROS предоставляет надёжную инфраструктуру связи, поддерживающую межпроцессное взаимодействие и распределённые вычисления. Это достигается с помощью модели публикации и подписки для потоков данных (топиков) и модели запросов и ответов для вызовов сервисов.
-
Абстракция аппаратного обеспечения: ROS предоставляет уровень абстракции над аппаратным обеспечением, позволяя разработчикам писать код, не зависящий от устройства. Благодаря этому один и тот же код можно использовать с разными аппаратными конфигурациями, упрощая интеграцию и эксперименты.
-
Инструменты и утилиты: ROS включает богатый набор инструментов и утилит для визуализации, отладки и моделирования. Например, RViz используется для визуализации данных датчиков и информации о состоянии робота, а Gazebo предоставляет мощную среду моделирования для тестирования алгоритмов и конструкций роботов.
-
Обширная экосистема: Экосистема ROS велика и постоянно развивается; для различных робототехнических задач доступно множество пакетов, включая навигацию, манипуляции, восприятие и другие. Сообщество активно участвует в разработке и сопровождении этих пакетов.
Эволюция версий ROS
С момента разработки в 2007 году ROS прошла через несколько версий, разделившись на ROS 1 и ROS 2. Приведённые ниже примеры используют ROS1 Noetic; компактные адаптеры в разделе Использование ROS2 показывают соответствующие интерфейсы rclpy для актуальных выпусков ROS2.
ROS 1 и ROS 2#
ROS 1 заложила прочную основу для разработки робототехнических систем, а ROS 2 устраняет её недостатки, предлагая:
- Производительность в реальном времени: улучшенную поддержку систем реального времени и детерминированного поведения.
- Безопасность: расширенные функции безопасности для безопасной и надёжной работы в различных средах.
- Масштабируемость: улучшенную поддержку многороботных систем и крупномасштабных развертываний.
- Кроссплатформенная поддержка: расширенную совместимость с различными операционными системами помимо Linux, включая Windows и macOS.
- Гибкая коммуникация: использование DDS для более гибкого и эффективного межпроцессного взаимодействия.
Сообщения и топики ROS#
В ROS взаимодействие между узлами обеспечивается с помощью сообщений и топиков. Сообщение — это структура данных, определяющая информацию, которой обмениваются узлы, а топик — именованный канал, по которому сообщения отправляются и принимаются. Узлы могут публиковать сообщения в топик или подписываться на сообщения из топика, что позволяет им взаимодействовать друг с другом. Эта модель публикации и подписки обеспечивает асинхронное взаимодействие и слабую связанность между узлами. Каждый датчик или исполнительный механизм в робототехнической системе обычно публикует данные в топик, после чего другие узлы могут использовать их для обработки или управления. В этом руководстве мы сосредоточимся на сообщениях Image, Depth и PointCloud, а также на топиках камер.
Настройка Ultralytics YOLO с ROS#
Примеры для ROS1 тестировались с использованием этой среды ROS — форка репозитория ROS для ROSbot. Та же обработка с помощью YOLO и NumPy применяется в ROS2; отличаются только жизненный цикл узла и преобразование сообщений.
Установка зависимостей#
Помимо среды ROS, тебе потребуется установить следующие зависимости:
-
Пакет ROS NumPy: требуется для быстрого преобразования сообщений ROS Image в массивы NumPy и обратно.
pip install ros_numpy -
Пакет Ultralytics:
pip install ultralytics
Использование ROS2#
ROS2 заменяет rospy на rclpy, а преобразование изображений ros_numpy — на cv_bridge. Следующий узел является полным эквивалентом приведённого ниже процесса обнаружения RGB для ROS2; создавай модели один раз и повторно используй их в обратных вызовах.
import cv_bridge
import rclpy
from rclpy.node import Node
from rclpy.qos import qos_profile_sensor_data
from sensor_msgs.msg import Image
from ultralytics import YOLO
class UltralyticsNode(Node):
"""Run YOLO detection on ROS2 image messages."""
def __init__(self):
"""Initialize the ROS2 node, model, and image interfaces."""
super().__init__("ultralytics")
self.bridge = cv_bridge.CvBridge()
self.model = YOLO("yolo26m.pt")
self.publisher = self.create_publisher(Image, "/ultralytics/detection/image", 5)
self.create_subscription(Image, "/camera/color/image_raw", self.callback, qos_profile_sensor_data)
def callback(self, message):
"""Publish the annotated camera frame."""
image = self.bridge.imgmsg_to_cv2(message, desired_encoding="bgr8")
annotated = self.model(image)[0].plot(show=False)
self.publisher.publish(self.bridge.cv2_to_imgmsg(annotated, encoding="bgr8"))
def main(args=None):
"""Start the ROS2 node."""
rclpy.init(args=args)
node = UltralyticsNode()
rclpy.spin(node)
node.destroy_node()
rclpy.shutdown()
if __name__ == "__main__":
main()Для изображений глубины повторно используй приведённый ниже код обработки глубины, заменив только получение и преобразование сообщений:
self.create_subscription(Image, "/camera/color/image_raw", self.rgb_callback, qos_profile_sensor_data)
self.create_subscription(Image, "/camera/depth/image_raw", self.depth_callback, qos_profile_sensor_data)
def rgb_callback(self, message):
self.rgb_image = self.bridge.imgmsg_to_cv2(message, desired_encoding="bgr8")
def depth_callback(self, message):
depth_image = self.bridge.imgmsg_to_cv2(message, desired_encoding="passthrough")
# Apply the NumPy mask and distance calculation from the depth example below.Для облаков точек ROS2 предоставляет sensor_msgs_py.point_cloud2; преобразуй организованное облако один раз, затем повторно используй приведённые ниже сегментацию NumPy и отображение в 3D:
from sensor_msgs_py import point_cloud2
points = point_cloud2.read_points_numpy(message, field_names=("x", "y", "z", "rgb"))
points = points.reshape(message.height, message.width, 4)Использование Ultralytics с ROS sensor_msgs/Image#
Тип сообщения sensor_msgs/Image часто используется в ROS для представления данных изображений. Он содержит поля кодировки, высоты, ширины и данных пикселей, что делает его подходящим для передачи изображений, полученных камерами или другими датчиками. Сообщения Image широко используются в робототехнических приложениях для таких задач, как визуальное восприятие, обнаружение объектов и навигация.
Пошаговое использование Image#
Следующий фрагмент кода демонстрирует использование пакета Ultralytics YOLO с ROS. В этом примере мы подписываемся на топик камеры, обрабатываем входящее изображение с помощью YOLO и публикуем обнаруженные объекты в новые топики для обнаружения и сегментации.
Сначала импортируй необходимые библиотеки и создай две модели: одну для сегментации, другую для обнаружения. Инициализируй узел ROS с именем ultralytics, чтобы включить взаимодействие с мастером ROS. Для стабильного подключения мы добавляем небольшую паузу, чтобы узел успел установить соединение перед продолжением работы.
import time
import rospy
from ultralytics import YOLO
detection_model = YOLO("yolo26m.pt")
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)Инициализируй два топика ROS: один для обнаружения, другой для сегментации. Эти топики будут использоваться для публикации размеченных изображений, делая их доступными для дальнейшей обработки. Взаимодействие между узлами обеспечивается сообщениями sensor_msgs/Image.
from sensor_msgs.msg import Image
det_image_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/image", Image, queue_size=5)
seg_image_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/segmentation/image", Image, queue_size=5)Наконец, создай подписчика, который прослушивает сообщения в топике /camera/color/image_raw и вызывает функцию обратного вызова для каждого нового сообщения. Эта функция получает сообщения типа sensor_msgs/Image, преобразует их в массив NumPy с помощью ros_numpy, обрабатывает изображения созданными ранее моделями YOLO, наносит разметку, а затем публикует их обратно в соответствующие топики: /ultralytics/detection/image для обнаружения и /ultralytics/segmentation/image для сегментации.
import ros_numpy
def callback(data):
"""Callback function to process image and publish annotated images."""
array = ros_numpy.numpify(data)
if det_image_pub.get_num_connections():
det_result = detection_model(array)
det_annotated = det_result[0].plot(show=False)
det_image_pub.publish(ros_numpy.msgify(Image, det_annotated, encoding="rgb8"))
if seg_image_pub.get_num_connections():
seg_result = segmentation_model(array)
seg_annotated = seg_result[0].plot(show=False)
seg_image_pub.publish(ros_numpy.msgify(Image, seg_annotated, encoding="rgb8"))
rospy.Subscriber("/camera/color/image_raw", Image, callback)
while True:
rospy.spin()Полный код
import time
import ros_numpy
import rospy
from sensor_msgs.msg import Image
from ultralytics import YOLO
detection_model = YOLO("yolo26m.pt")
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
det_image_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/image", Image, queue_size=5)
seg_image_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/segmentation/image", Image, queue_size=5)
def callback(data):
"""Callback function to process image and publish annotated images."""
array = ros_numpy.numpify(data)
if det_image_pub.get_num_connections():
det_result = detection_model(array)
det_annotated = det_result[0].plot(show=False)
det_image_pub.publish(ros_numpy.msgify(Image, det_annotated, encoding="rgb8"))
if seg_image_pub.get_num_connections():
seg_result = segmentation_model(array)
seg_annotated = seg_result[0].plot(show=False)
seg_image_pub.publish(ros_numpy.msgify(Image, seg_annotated, encoding="rgb8"))
rospy.Subscriber("/camera/color/image_raw", Image, callback)
while True:
rospy.spin()Отладка
Отладка узлов ROS (операционной системы для роботов) может быть сложной из-за распределённой природы системы. В этом процессе могут помочь несколько инструментов:
rostopic echo <TOPIC-NAME>: эта команда позволяет просматривать сообщения, опубликованные в определённом топике, помогая проверять поток данных.rostopic list: используй эту команду, чтобы вывести список всех доступных топиков в системе ROS и получить обзор активных потоков данных.rqt_graph: этот инструмент визуализации отображает граф взаимодействия между узлами, помогая понять их связи и взаимодействие.- Для более сложных визуализаций, например 3D-представлений, можно использовать RViz. RViz (визуализация ROS) — мощный инструмент 3D-визуализации для ROS. Он позволяет визуализировать состояние робота и его окружения в реальном времени. С помощью RViz можно просматривать данные датчиков (например,
sensor_msgs/Image), состояния модели робота и различные другие типы информации, что упрощает отладку и понимание поведения робототехнической системы.
Публикация обнаруженных классов с помощью std_msgs/String#
Стандартные сообщения ROS также включают сообщения std_msgs/String. Во многих приложениях нет необходимости повторно публиковать всё размеченное изображение — достаточно классов, присутствующих в поле зрения робота. Следующий пример демонстрирует использование сообщений std_msgs/String для повторной публикации обнаруженных классов в топик /ultralytics/detection/classes. Эти сообщения имеют меньший объём и содержат основную информацию, что делает их полезными для различных приложений.
Пример использования#
Рассмотрим складского робота, оснащённого камерой и моделью обнаружения объектов. Вместо передачи больших размеченных изображений по сети робот может публиковать список обнаруженных классов в виде сообщений std_msgs/String. Например, обнаружив такие объекты, как «коробка», «палета» и «погрузчик», робот публикует эти классы в топик /ultralytics/detection/classes. Затем центральная система мониторинга может использовать эту информацию для отслеживания запасов в реальном времени, оптимизации маршрута робота для обхода препятствий или запуска определённых действий, например подбора обнаруженной коробки. Такой подход снижает требуемую для связи пропускную способность и позволяет сосредоточиться на передаче критически важных данных.
Пошаговое использование String#
Этот пример демонстрирует использование пакета Ultralytics YOLO с ROS. В нём мы подписываемся на топик камеры, обрабатываем входящее изображение с помощью YOLO и публикуем обнаруженные объекты в новый топик /ultralytics/detection/classes с использованием сообщений std_msgs/String. Пакет ros_numpy используется для преобразования сообщения ROS Image в массив NumPy для обработки с помощью YOLO.
import time
import ros_numpy
import rospy
from sensor_msgs.msg import Image
from std_msgs.msg import String
from ultralytics import YOLO
detection_model = YOLO("yolo26m.pt")
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
classes_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/classes", String, queue_size=5)
def callback(data):
"""Callback function to process image and publish detected classes."""
array = ros_numpy.numpify(data)
if classes_pub.get_num_connections():
det_result = detection_model(array)
classes = det_result[0].boxes.cls.cpu().numpy().astype(int)
names = [det_result[0].names[i] for i in classes]
classes_pub.publish(String(data=str(names)))
rospy.Subscriber("/camera/color/image_raw", Image, callback)
while True:
rospy.spin()Использование Ultralytics с изображениями глубины ROS#
Помимо изображений RGB, ROS поддерживает изображения глубины, содержащие информацию о расстоянии от объектов до камеры. Изображения глубины крайне важны для таких робототехнических задач, как обход препятствий, 3D-картографирование и локализация.
Изображение глубины — это изображение, в котором каждый пиксель представляет расстояние от камеры до объекта. В отличие от изображений RGB, фиксирующих цвет, изображения глубины фиксируют пространственную информацию, позволяя роботам воспринимать 3D-структуру окружения.
Изображения глубины можно получать с помощью различных датчиков:
- Стереокамеры: используют две камеры для расчёта глубины на основе разницы изображений.
- Камеры по времени пролёта (ToF): измеряют время, за которое свет возвращается от объекта.
- Датчики структурированного света: проецируют шаблон и измеряют его деформацию на поверхностях.
Использование YOLO с изображениями глубины#
В ROS изображения глубины представлены типом сообщения sensor_msgs/Image, который включает поля кодировки, высоты, ширины и данных пикселей. Для изображений глубины в поле кодировки часто используется формат «16UC1», обозначающий 16-битное беззнаковое целое для каждого пикселя, где каждое значение представляет расстояние до объекта. Изображения глубины обычно используются вместе с изображениями RGB для получения более полного представления окружения.
С помощью YOLO можно извлекать и объединять информацию из изображений RGB и глубины. Например, YOLO может обнаружить объекты на изображении RGB, а результаты обнаружения можно использовать для определения соответствующих областей на изображении глубины. Это позволяет извлекать точную информацию о глубине обнаруженных объектов и улучшает способность робота понимать окружение в трёх измерениях.
При работе с изображениями глубины важно обеспечить правильное выравнивание изображений RGB и глубины. Камеры RGB-D, например серия Intel RealSense, предоставляют синхронизированные изображения RGB и глубины, упрощая объединение информации из обоих источников. Если используются отдельные камеры RGB и глубины, необходимо откалибровать их для точного выравнивания.
Пошаговое использование глубины#
В этом примере мы используем YOLO для сегментации изображения и применяем полученную маску к изображению глубины, чтобы сегментировать объект. Это позволяет определить расстояние каждого пикселя интересующего объекта от фокального центра камеры. Получив эту информацию, мы можем рассчитать расстояние между камерой и конкретным объектом в сцене. Начни с импорта необходимых библиотек, создания узла ROS и экземпляра модели сегментации и топика ROS.
import time
import rospy
from std_msgs.msg import String
from ultralytics import YOLO
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")
classes_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/distance", String, queue_size=5)Затем определи функцию обратного вызова, обрабатывающую входящее сообщение изображения глубины. Функция ожидает сообщения изображения глубины и RGB, преобразует их в массивы NumPy и применяет модель сегментации к изображению RGB. После этого она извлекает маску сегментации для каждого обнаруженного объекта и рассчитывает его среднее расстояние от камеры по изображению глубины. У большинства датчиков есть максимальное расстояние, называемое дистанцией отсечения, за пределами которого значения представлены как inf (np.inf). Перед обработкой важно отфильтровать эти нулевые значения и присвоить им значение 0. Наконец, функция публикует обнаруженные объекты вместе с их средними расстояниями в топик /ultralytics/detection/distance.
import numpy as np
import ros_numpy
from sensor_msgs.msg import Image
def callback(data):
"""Callback function to process depth image and RGB image."""
image = rospy.wait_for_message("/camera/color/image_raw", Image)
image = ros_numpy.numpify(image)
depth = ros_numpy.numpify(data)
result = segmentation_model(image)
all_objects = []
for index, cls in enumerate(result[0].boxes.cls):
class_index = int(cls.cpu().numpy())
name = result[0].names[class_index]
mask = result[0].masks.data.cpu().numpy()[index, :, :].astype(int)
obj = depth[mask == 1]
obj = obj[~np.isnan(obj)]
avg_distance = np.mean(obj) if len(obj) else np.inf
all_objects.append(f"{name}: {avg_distance:.2f}m")
classes_pub.publish(String(data=str(all_objects)))
rospy.Subscriber("/camera/depth/image_raw", Image, callback)
while True:
rospy.spin()Полный код
import time
import numpy as np
import ros_numpy
import rospy
from sensor_msgs.msg import Image
from std_msgs.msg import String
from ultralytics import YOLO
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")
classes_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/distance", String, queue_size=5)
def callback(data):
"""Callback function to process depth image and RGB image."""
image = rospy.wait_for_message("/camera/color/image_raw", Image)
image = ros_numpy.numpify(image)
depth = ros_numpy.numpify(data)
result = segmentation_model(image)
all_objects = []
for index, cls in enumerate(result[0].boxes.cls):
class_index = int(cls.cpu().numpy())
name = result[0].names[class_index]
mask = result[0].masks.data.cpu().numpy()[index, :, :].astype(int)
obj = depth[mask == 1]
obj = obj[~np.isnan(obj)]
avg_distance = np.mean(obj) if len(obj) else np.inf
all_objects.append(f"{name}: {avg_distance:.2f}m")
classes_pub.publish(String(data=str(all_objects)))
rospy.Subscriber("/camera/depth/image_raw", Image, callback)
while True:
rospy.spin()Использование Ultralytics с ROS sensor_msgs/PointCloud2#
Тип сообщения sensor_msgs/PointCloud2 — это структура данных, используемая в ROS для представления данных 3D-облака точек. Этот тип сообщения важен для робототехнических приложений, обеспечивая такие задачи, как 3D-картографирование, распознавание объектов и локализация.
Облако точек — это набор точек данных, заданных в трёхмерной системе координат. Эти точки представляют внешнюю поверхность объекта или сцены, полученную с помощью технологий 3D-сканирования. Каждая точка облака имеет координаты X, Y и Z, соответствующие её положению в пространстве, а также может содержать дополнительную информацию, например цвет и интенсивность.
При работе с sensor_msgs/PointCloud2 важно учитывать систему координат датчика, с которого были получены данные облака точек. Изначально облако точек создаётся в системе координат датчика. Определить эту систему можно, прослушивая топик /tf_static. Однако в зависимости от требований конкретного приложения может потребоваться преобразовать облако точек в другую систему координат. Это преобразование выполняется с помощью пакета tf2_ros, предоставляющего инструменты для управления системами координат и преобразования данных между ними.
Облака точек можно получать с помощью различных датчиков:
- LIDAR (обнаружение и определение дальности с помощью света): использует лазерные импульсы для измерения расстояний до объектов и создания 3D-карт высокой точности.
- Камеры глубины: захватывают информацию о глубине для каждого пикселя, позволяя выполнять 3D-реконструкцию сцены.
- Стереокамеры: используют две или более камеры для получения информации о глубине методом триангуляции.
- Сканеры структурированного света: проецируют известный шаблон на поверхность и измеряют его деформацию для расчёта глубины.
Использование YOLO с облаками точек#
Для интеграции YOLO с сообщениями типа sensor_msgs/PointCloud2 можно использовать метод, аналогичный применяемому для карт глубины. Извлекая информацию о цвете, содержащуюся в облаке точек, мы можем получить 2D-изображение, выполнить его сегментацию с помощью YOLO, а затем применить полученную маску к трёхмерным точкам, чтобы выделить интересующий 3D-объект.
Для работы с облаками точек мы рекомендуем использовать Open3D (pip install open3d) — удобную пользовательскую библиотеку Python. Open3D предоставляет надёжные инструменты для управления структурами данных облаков точек, их визуализации и беспрепятственного выполнения сложных операций. Эта библиотека значительно упрощает процесс и расширяет возможности обработки и анализа облаков точек вместе с сегментацией на основе YOLO.
Пошаговое использование облаков точек#
Импортируй необходимые библиотеки и создай модель YOLO для сегментации.
import time
import rospy
from ultralytics import YOLO
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")Создай функцию pointcloud2_to_array, преобразующую сообщение sensor_msgs/PointCloud2 в два массива NumPy. Сообщения sensor_msgs/PointCloud2 содержат точки n, основанные на width и height полученного изображения. Например, изображение 480 x 640 будет содержать 307,200 точек. Каждая точка включает три пространственные координаты (xyz) и соответствующий цвет в формате RGB. Их можно рассматривать как два отдельных канала информации.
Функция возвращает координаты xyz и значения RGB в формате исходного разрешения камеры (width x height). У большинства датчиков есть максимальное расстояние, называемое дистанцией отсечения, за пределами которого значения представлены как inf (np.inf). Перед обработкой важно отфильтровать эти нулевые значения и присвоить им значение 0.
import numpy as np
import ros_numpy
def pointcloud2_to_array(pointcloud2: PointCloud2) -> tuple:
"""Convert a ROS PointCloud2 message to a numpy array.
Args:
pointcloud2 (PointCloud2): the PointCloud2 message
Returns:
(tuple): tuple containing (xyz, rgb)
"""
pc_array = ros_numpy.point_cloud2.pointcloud2_to_array(pointcloud2)
split = ros_numpy.point_cloud2.split_rgb_field(pc_array)
rgb = np.stack([split["b"], split["g"], split["r"]], axis=2)
xyz = ros_numpy.point_cloud2.get_xyz_points(pc_array, remove_nans=False)
xyz = np.array(xyz).reshape((pointcloud2.height, pointcloud2.width, 3))
nan_rows = np.isnan(xyz).all(axis=2)
xyz[nan_rows] = [0, 0, 0]
rgb[nan_rows] = [0, 0, 0]
return xyz, rgbЗатем подпишись на топик /camera/depth/points, чтобы получать сообщения облака точек, и преобразуй сообщение sensor_msgs/PointCloud2 в массивы NumPy, содержащие координаты XYZ и значения RGB (с помощью функции pointcloud2_to_array). Обработай изображение RGB моделью YOLO, чтобы извлечь сегментированные объекты. Для каждого обнаруженного объекта извлеки маску сегментации и примени её к изображению RGB и координатам XYZ, чтобы выделить объект в 3D-пространстве.
Обработка маски проста, поскольку она состоит из бинарных значений: 1 обозначает присутствие объекта, а 0 — его отсутствие. Чтобы применить маску, просто умножь исходные каналы на маску. Эта операция эффективно выделяет интересующий объект на изображении. Наконец, создай объект облака точек Open3D и визуализируй сегментированный объект в 3D-пространстве вместе с соответствующими цветами.
import sys
import open3d as o3d
ros_cloud = rospy.wait_for_message("/camera/depth/points", PointCloud2)
xyz, rgb = pointcloud2_to_array(ros_cloud)
result = segmentation_model(rgb)
if not len(result[0].boxes.cls):
print("No objects detected")
sys.exit()
classes = result[0].boxes.cls.cpu().numpy().astype(int)
for index, class_id in enumerate(classes):
mask = result[0].masks.data.cpu().numpy()[index, :, :].astype(int)
mask_expanded = np.stack([mask, mask, mask], axis=2)
obj_rgb = rgb * mask_expanded
obj_xyz = xyz * mask_expanded
pcd = o3d.geometry.PointCloud()
pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(obj_xyz.reshape((ros_cloud.height * ros_cloud.width, 3)))
pcd.colors = o3d.utility.Vector3dVector(obj_rgb.reshape((ros_cloud.height * ros_cloud.width, 3)) / 255)
o3d.visualization.draw_geometries([pcd])Полный код
import sys
import time
import numpy as np
import open3d as o3d
import ros_numpy
import rospy
from sensor_msgs.msg import PointCloud2
from ultralytics import YOLO
rospy.init_node("ultralytics")
time.sleep(1)
segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt")
def pointcloud2_to_array(pointcloud2: PointCloud2) -> tuple:
"""Convert a ROS PointCloud2 message to a numpy array.
Args:
pointcloud2 (PointCloud2): the PointCloud2 message
Returns:
(tuple): tuple containing (xyz, rgb)
"""
pc_array = ros_numpy.point_cloud2.pointcloud2_to_array(pointcloud2)
split = ros_numpy.point_cloud2.split_rgb_field(pc_array)
rgb = np.stack([split["b"], split["g"], split["r"]], axis=2)
xyz = ros_numpy.point_cloud2.get_xyz_points(pc_array, remove_nans=False)
xyz = np.array(xyz).reshape((pointcloud2.height, pointcloud2.width, 3))
nan_rows = np.isnan(xyz).all(axis=2)
xyz[nan_rows] = [0, 0, 0]
rgb[nan_rows] = [0, 0, 0]
return xyz, rgb
ros_cloud = rospy.wait_for_message("/camera/depth/points", PointCloud2)
xyz, rgb = pointcloud2_to_array(ros_cloud)
result = segmentation_model(rgb)
if not len(result[0].boxes.cls):
print("No objects detected")
sys.exit()
classes = result[0].boxes.cls.cpu().numpy().astype(int)
for index, class_id in enumerate(classes):
mask = result[0].masks.data.cpu().numpy()[index, :, :].astype(int)
mask_expanded = np.stack([mask, mask, mask], axis=2)
obj_rgb = rgb * mask_expanded
obj_xyz = xyz * mask_expanded
pcd = o3d.geometry.PointCloud()
pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(obj_xyz.reshape((ros_cloud.height * ros_cloud.width, 3)))
pcd.colors = o3d.utility.Vector3dVector(obj_rgb.reshape((ros_cloud.height * ros_cloud.width, 3)) / 255)
o3d.visualization.draw_geometries([pcd])
Заключение#
Интегрировав Ultralytics YOLO с ROS, ты можешь выполнять обнаружение объектов и сегментацию на изображениях RGB, изображениях глубины и облаках точек, превращая необработанные потоки данных датчиков в полезную информацию для восприятия. Теперь изучи режим Predict, чтобы узнать о других вариантах инференса, или следуй этапам проекта компьютерного зрения, чтобы перевести своё робототехническое приложение от прототипа к промышленной эксплуатации.
Часто задаваемые вопросы#
ROS (операционная система для роботов) — это среда с открытым исходным кодом, широко используемая в робототехнике для помощи разработчикам в создании надёжных приложений для роботов. Она предоставляет набор библиотек и инструментов для создания робототехнических систем и взаимодействия с ними, упрощая разработку сложных приложений. ROS поддерживает взаимодействие между узлами с помощью сообщений через топики или сервисы.
Интеграция Ultralytics YOLO с ROS включает настройку среды ROS и использование YOLO для обработки данных датчиков. Начни с установки необходимых зависимостей, например
ros_numpy, и Ultralytics YOLO:pip install ros_numpy ultralyticsЗатем создай узел ROS и подпишись на топик изображений, чтобы обрабатывать входящие данные для обнаружения объектов. Вот минимальный пример:
import ros_numpy import rospy from sensor_msgs.msg import Image from ultralytics import YOLO detection_model = YOLO("yolo26m.pt") rospy.init_node("ultralytics") det_image_pub = rospy.Publisher("/ultralytics/detection/image", Image, queue_size=5) def callback(data): array = ros_numpy.numpify(data) det_result = detection_model(array) det_annotated = det_result[0].plot(show=False) det_image_pub.publish(ros_numpy.msgify(Image, det_annotated, encoding="rgb8")) rospy.Subscriber("/camera/color/image_raw", Image, callback) rospy.spin()Топики ROS обеспечивают взаимодействие между узлами в сети ROS с помощью модели публикации и подписки. Топик — это именованный канал, который узлы используют для асинхронной отправки и получения сообщений. В контексте Ultralytics YOLO можно настроить узел на подписку на топик изображений, обрабатывать изображения с помощью YOLO для таких задач, как обнаружение или сегментация, и публиковать результаты в новые топики.
Например, подпишись на топик камеры и обработай входящее изображение для обнаружения:
rospy.Subscriber("/camera/color/image_raw", Image, callback)Изображения глубины в ROS, представленные
sensor_msgs/Image, содержат расстояние от объектов до камеры, что крайне важно для таких задач, как обход препятствий, 3D-картографирование и локализация. Используя информацию о глубине вместе с изображениями RGB, роботы могут лучше понимать своё 3D-окружение.С помощью YOLO можно извлекать маски сегментации из изображений RGB и применять их к изображениям глубины, чтобы получать точную 3D-информацию об объектах и улучшать способность робота перемещаться и взаимодействовать с окружением.
Чтобы визуализировать 3D-облака точек в ROS с помощью YOLO:
- Преобразуй сообщения
sensor_msgs/PointCloud2в массивы NumPy. - Используй YOLO для сегментации RGB-изображений.
- Примени маску сегментации к облаку точек.
Вот пример визуализации с использованием Open3D:
import sys import numpy as np import open3d as o3d import ros_numpy import rospy from sensor_msgs.msg import PointCloud2 from ultralytics import YOLO rospy.init_node("ultralytics") segmentation_model = YOLO("yolo26m-seg.pt") def pointcloud2_to_array(pointcloud2): pc_array = ros_numpy.point_cloud2.pointcloud2_to_array(pointcloud2) split = ros_numpy.point_cloud2.split_rgb_field(pc_array) rgb = np.stack([split["b"], split["g"], split["r"]], axis=2) xyz = ros_numpy.point_cloud2.get_xyz_points(pc_array, remove_nans=False) xyz = np.array(xyz).reshape((pointcloud2.height, pointcloud2.width, 3)) return xyz, rgb ros_cloud = rospy.wait_for_message("/camera/depth/points", PointCloud2) xyz, rgb = pointcloud2_to_array(ros_cloud) result = segmentation_model(rgb) if not len(result[0].boxes.cls): print("No objects detected") sys.exit() classes = result[0].boxes.cls.cpu().numpy().astype(int) for index, class_id in enumerate(classes): mask = result[0].masks.data.cpu().numpy()[index, :, :].astype(int) mask_expanded = np.stack([mask, mask, mask], axis=2) obj_rgb = rgb * mask_expanded obj_xyz = xyz * mask_expanded pcd = o3d.geometry.PointCloud() pcd.points = o3d.utility.Vector3dVector(obj_xyz.reshape((-1, 3))) pcd.colors = o3d.utility.Vector3dVector(obj_rgb.reshape((-1, 3)) / 255) o3d.visualization.draw_geometries([pcd])Этот подход обеспечивает 3D-визуализацию сегментированных объектов, что полезно для таких задач, как навигация и манипуляции в робототехнических приложениях.
- Преобразуй сообщения