EA028167B1 - Способ определения дальности до объекта, его высоты и ширины - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым фотографическим изображениям. Задача изобретения - повышение точности измерения расстояний. Поставленная задача решается путем того, что в способе определения дальности до объекта, его высоты и ширины, заключающемся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемых объектов с использованием двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, определяют дальность до объекта по сдвигу между изображениями объекта по горизонтальной оси, размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности, осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали, определяют сдвиги между изображениями Δx по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции, осуществляют субпиксельную интерполяцию, а дальность R до выделенной области объекта определяют из выражениягде L - расстояние между фотокамерами, f - фокус фотокамер, ω- расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси X, Δx - сдвиг по горизонтальной оси между изображениями за счет непараллельности оптических осей, П - полином, компенсирующий оптические аберрации линз и взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц.

Description

Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым фотографическим изображениям.

Известен способ измерения дальности до объекта [1], обладающего осью симметрии, с использованием двух цифровых фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние. Дальность определяется по сдвигу между изображениями объекта, при этом необходимо знать расстояние между фотокамерами и фокусное расстояние объективов камер. Недостатком этого устройства является ограниченная точность измерений дальности, обусловленная не параллельностью оптических осей фотокамер.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения расстояний на цифровой фотокамере [2], заключающийся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемого объекта из двух точек, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, а дальность до объекта определяют по сдвигу между изображениями Δχ по горизонтальной оси, который определяют по положению максимума корреляционной функции выделенных изображений. Недостатком этого способа является ограниченная точность измерений дальности. Это обусловлено тем, что при использовании двух фотокамер (или стереокамеры) на точность измерений будет влиять не параллельность оптических осей фотокамер, возможный взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц камер, как показано на фиг. 1, а также оптические аберрации приемных линз фотокамер.

Задача изобретения - повышение точности измерений расстояний. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для измерения расстояний и размеров объектов для решения задач криминалистики на местах преступлений, занимающих значительные территории (места взрывов, крушений, техногенных аварий и т.д.), а также для решения задач геодезии, картографии, строительства т.п.

Поставленная задача решается путем того, что в способе определения дальности до объекта, его высоты и ширины, заключающемся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемого объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности; затем осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали; определяют сдвиг между изображениями Δχ по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции К в соответствии с выражением

Σ (^Х’У) “ А )(⁷2 (х + М У + Ду ) “ Л ) Σ ι_η (X, у)

.........₌................-.................1_п = , □0 - Λ)²Σ(⁷2(* + М.У + ДУ) - Ц)² Упах-Углах х,У где 1₁ - сигнал окна сканирования первого изображения;

1₂ - сигнал окна сканирования второго изображения;

/л х_тах, Утах - размер сканирующего окна;

Δχ, Δу - сдвиги по горизонтали и вертикали соответственно;

Д’А - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования, соответственно; η = 1, 2; осуществляют уточнение положения максимума корреляционной функции Δχ в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением

7(х + /А, у + у'А) = (1 - /А)(1 - у'А) · /(х, у} + (1 - у‘А)/А · /(χ +1, у) + +(1 - /А)у'А · 7(х, у +1) + /у'А² · /(χ +1, у +1), где й - шаг сетки уточнения;

ΐ, - горизонтальный и вертикальный индексы узла, соответственно;

1(х, у) - максимальное значение корреляционной функции, 1(х+1, у), 1(х, у+1), 1(х +1, у +1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках; а дальность К до выделенной области объекта определяют из выражения «=—, ω_χ · (Δχ - ΔΑ + 77) где Ь - расстояние между фотокамерами, £ - фокус фотокамер, ш_х - расстояние между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси X,

Δχ - сдвиг по горизонтальной оси между изображениями за счет непараллельности оптических осей,

П - полином, компенсирующий оптические аберрации линз и взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц, равный ^=Е(^а.^х+в,¥), п,т где А_п, Вт - калибровочные коэффициенты;

- 1 028167 η, т =1^3; Х = х/1000, Υ = у/1000, х, у - координаты точки измерений на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали соответственно;

при этом размеры к-того объекта определяются из выражений

где К_к - расстояния до к-того объекта, х_к, У_к - размеры объекта на фото приемной матрице в пикселях по горизонтали и вертикали, соответствен но, о_У - расстояние между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси Υ, Н_к высота объекта, Э_к - ширина объекта.

Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения расстояний, обусловленное тем, что в измерителе осуществляется компенсации погрешностей, вызванных непараллельностью оптических осей двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, взаимным наклоном плоскостей фото приемных матриц, а также оптическими аберрациями приемных линз фотокамер.

Сущность способа измерений поясняется с помощью фиг. 1, на котором приведены источники погрешности измерений, и фиг. 2, на котором представлена функциональная схема измерителя расстояний на основе цифрового фотоаппарата. Система содержит измеряемый объект 1, две цифровые фотокамеры, состоящие из линз 2, 3 и фотоприемных матриц 4, 5 соответственно, для первой и второй фотокамер, и вычислительный блок 6.

Измеритель расстояний работает следующим образом. С помощью цифровых фотоаппаратов на фотоприемных матрицах 4 и 5 реализуются цифровые изображения измеряемых объектов. Полученные два цифровых изображения одних и тех же объектов поступают в вычислительный блок, где производится измерение расстояний по следующему алгоритму. На первом изображении формируется окно сканирования, размер которого выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов выделенного объекта была меньше инструментального разрешения по дальности. Если поверхность объекта является плоскостью, перпендикулярной горизонтали и оси наблюдения, то все точки плоскости будут находиться на одинаковом расстоянии от объектива. Если предмет имеет объемную форму, то необходимо на нем выделить плоскую поверхность. Автоматически окно с такими же координатами формируется и на втором снимке. Затем осуществляется сканирование одного окна относительно другого по горизонтали и вертикали, при этом в каждой точке сканирования вычисляется значение двухмерной нормированной корреляционной функции между выделенными изображениями в соответствии с выражением

где 1₁ - сигнал окна сканирования первого изображения;

1₂ - сигнал окна сканирования второго изображения;

х_тах,У_тах - размер сканирующего окна по горизонтали и вертикали соответственно;

Δχ, Лу - сдвиг по горизонтали и вертикали соответственно,

ΑΆ - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования соответственно; η = 1, 2.

Из приведенного выражения следует, что сканирование осуществляется по горизонтали и вертикали. По положению максимального значения нормированной корреляционной функции (1) определяют сдвиг между изображениями Δχ = х₂ - х₁ (фиг. 2). Так как все точки объекта в выделенном окне находятся на одинаковом расстоянии и осуществляется нормировка по величине среднего значения сигнала, то достигается максимальное значение корреляционной функции, и при полном совпадении изображений корреляционная функция (1) будет равна единице. Дальность К до выделенной области объекта определяется из выражения

где Е - расстояние между фотокамерами, £ - фокусное расстояние фотокамер,

Δχ - сдвиг между изображениями в пикселях по оси X, ш_х - расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси X. Аналогичным образом определяются расстояния К_к до всех объектов, попавших в поле зрения фотокамеры.

Измеритель расстояний также позволяет измерять высоту и линейные размеры объектов. Это осуществляется следующим образом. Определив значение расстояния до к-того объекта К_к и размеры этого объекта на фотоприемной матрице в пикселях х_к по горизонтали и у_к по вертикали, зная расстояние о_У между чувствительными элементами приемной матрицы по оси Υ, ширина объекта Э_к и высота Н_к определяют из выражений

- 2 028167

Так как сканирование одного окна относительно другого осуществляется со сдвигом на один пиксель вдоль осей координат, то положение максимума корреляционной функции и, следовательно, сдвиг между изображениями определяется также с точностью в один пиксель. Этот фактор значительно ограничивает точность измерения расстояний. Для повышения точности измерения расстояний необходимо определять положение максимума корреляционной функции (сдвига между изображениями Δχ) в пределах одного пикселя.

Для уточнения величины сдвига Δχ в субпиксельном диапазоне используется билинейная интерполяция сигнала с заданным шагом, алгоритм которой заключается в следующем. Обычно область уточнения выбирается шириной и высотой в 2 пикселя. В точке максимального значения корреляционной функции 1(х, у), полученного на этапе грубой оценки с точностью в один пиксель, строится сетка ячеек, соответствующих узлам интерполяции, и ведется повторное сканирование с шагом, равным Ь=1/к пикселя, где к - целое число (к=5...20). Таким образом, вычисляется значение корреляционной функции для к² узлов сетки. Интенсивность Ι(χ+ΐΗ, у+дЬ) узла сетки вычисляется из выражения

1(х + гк, у + уА) = (1 - /А)(1 - уй) · 7(х, у) + (1 - ук}гк · 7(х +1, у) + +(1 - гк}у'Л · 7(х, у +1) + ук¹ · 1{х +1, у +1), где Ь = 1/к - шаг сетки;

1, ) - горизонтальный и вертикальный индексы узла соответственно;

1(х, у) - максимальное значение корреляционной функции, 1(х+1, у), 1(х, у+1), 1(х +1, у +1) - значения интенсивности корреляционной функции в точках, ближайших к максимальному. Очевидно, что билинейная интерполяция дает разрешение в пределах одного пикселя, равное 1/к. Следовательно, если взять к = 10... 15, то разрешение при определении сдвига составит величину менее десятой доли пикселя.

Если оптические оси объективов первой и второй фотокамер сдвинуты на угол φ, как показано на фиг. 2, то при определении сдвига между изображениями Δχ будет присутствовать постоянная погрешность Δχ, обусловленная этим фактором, равная

ΔΥ=/1§φ, (5) где Δχ - сдвиг положения объекта на фотоприемной матрице, ί - фокусное расстояние объектива фотокамеры. Так как в приведенной формуле отсутствует расстояние до объекта, то сдвиг Δχ будет одинаков для всех объектов, одновременно попадающих в поле зрения фотокамеры. Для устранения погрешности, обусловленной этим фактором, в расчетную формулу вводится величина сдвига Δχ, при этом выражение для расчета дальности до ι-того объекта приобретает вид

где Δχ - сдвиг по горизонтальной оси между изображениями объекта за счет непараллельности оптических осей (знак перед Δχ зависит от угла наклона оптических осей);

Δχ, - сдвиг между изображениями ι-того объекта по горизонтальной оси в зависимости от расстояния до объекта.

Значение сдвига Δχ для обычной стереофотокамеры можно определить путем калибровки по объекту, находящемуся на известном расстоянии.

Если в объективах стереокамеры имеет место не только непараллельность оптических осей фотокамер, но и взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц камер (фиг. 1), а также присутствуют оптические аберрации приемных линз фотокамер, то для устранения этих погрешностей необходимо учитывать также координаты измеряемого объекта на фотоприемной матрице. Взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц и оптические аберрации приемных линз можно компенсировать с помощью нелинейного полинома П, имеющего следующий вид:

л^Аде+вл), (?) п,т где А_п, В_т, - калибровочные коэффициенты; п, т =1^3;

Х = х/1000, Υ = у/1000, х, у - координаты точки измерений на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали, соответственно. Число слагаемых в сумме (7) п и т может изменятся от 1 до 3 в зависимости от размера фотоприемной матрицы, числа пикселей, крутизны и фокуса линзы и т.п. В этом случае выражение для расчета дальности до объекта приобретает вид

К =-. (8) ω_χ·(Δχ-ΔΥ + 77)

Приведенный способ компенсации не параллельности оптических осей фотокамер, оптических аберраций линз и взаимного наклона плоскостей фотоприемных матриц целесообразно использовать при применении серийно выпускаемых 3И-стерео камер, в которых фотоприемные матрицы жестко закреп- 3 028167 лены производителем. Калибровочные коэффициенты А_п, В_т, Δχ определяются по нескольким объектам, либо калибровочной матрице объектов, находящихся на известном расстоянии, изображение которых попадает в различные области фотоприемной матрицы. Выбор знаков перед слагаемыми в выражениях (7), (8) зависит от углов наклона оптических осей и плоскостей фотоприемных матриц.

Вычислительный блок с помощью геометрии полученных изображений объектов может также осуществить измерение расстояний между объектами на цифровой фотографии. Знать точное значение расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы и значение фокуса объектива нет необходимости, так как эти значения можно определить при калибровке системы на точно известном расстоянии.

Большинство современных лазерных дальномеров основаны на активном способе измерения дальности, заключающемся в посылке на дистанцию лазерного импульса. Такой способ не обеспечивает скрытность измерений, так как оптические датчики, установленные на цели, позволяют легко выявить как сам факт измерения, так и определить направление и координаты измерителя. Предлагаемый способ измерения дальности является пассивным и обеспечивает скрытность измерений, т.е. измеряемые объекты не могут обнаружить, что по ним измеряется дальность, что особенно важно для решения военных задач.

Предлагаемая система позволяет измерять расстояния до тех объектов, до которых невозможно или очень сложно проводить измерения с помощью лазерных дальномеров, например, тонкие провода, антенны, объекты с низ ким коэффициентом отражения, мнимые изображения на зеркальных поверхностях, прозрачные облака, птицы, животные, люди и т.п.

Таким образом, что за счет компенсации погрешностей, обусловленных не параллельностью оптических осей камер, оптическими аберрация ми приемных линз и взаимным наклоном плоскостей фотоприемных матриц, достигается повышение точности измерения расстояний в результате анализа двух цифровых фотографических изображений, полученных с фотоприемных матриц, разнесенных в пространстве по горизонтали.

1) ϋδ Ра1еи1 № 5432594, 001С 3/00, 1995.

2) Патент Κϋ 2485443, 001С 3/00, 0013 11/12, 2013, бюл. № 17.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Способ определения дальности до объекта, его высоты и ширины, заключающийся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемого объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, при этом размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности; затем осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали; определяют сдвиг между изображениями Δχ по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции Κ в соответствии с выражением где 1₁ - сигнал окна сканирования первого изображения;

   1₂ - сигнал окна сканирования второго изображения; х_тах, у_тах - размер сканирующего окна;

   Δχ,Δу - сдвиги по горизонтали и вертикали соответственно;

   ΛΛ - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования соответственно; п = 1, 2;

   осуществляют уточнение положения максимума корреляционной функции Δχ в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением

   1(х + М,у + β} = (1 - /А)(1 - у/ζ) 7(х, у) + (1 - у'Л)//г · Ι(χ +1, у) + + (1 - ΐΚ)β · 1{х, у +1) + ιβ² · ί(χ +1, у+1) ’ где И - шаг сетки уточнения;

   ΐ, ί - горизонтальный и вертикальный индексы узла соответственно;

   1(х, у) - максимальное значение корреляционной функции, 1(х+1, у), 1(х, у+1), 1(х+1, у+1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках; а дальность Κ до выделенной области объекта определяют из выражения

   К =-ωβΔχ-ΔΧ + ПУ где Е - расстояние между фотокамерами; ί - фокус фотокамер;

   ω_χ - расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси X;

   - 4 028167

   Δχ - сдвиг по горизонтальной оси между изображениями за счет не параллельности оптических осей;

   П - полином, компенсирующий оптические аберрации линз и взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц, равный

   Л^АД’+ВЛ) п,т где А_п, В_т, - калибровочные коэффициенты; п, т = 1-3;

   Х = х/1000, Υ = у/1000, х, у - координаты точки измерений на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали соответственно;

   при этом размеры к-го объекта определяются из выражений

   Λ,-ω а—— где К_к - расстояния до к-го объекта;

   х_к, у_к - размеры объекта на фотоприемной матрице в пикселях по горизонтали и вертикали соответственно;

   ш_у - расстояние между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси Υ;

   Н_к - высота объекта;

   1)_к - ширина объекта.