CC BY
45
Доленко Юрий Сергеевич - e-mail: dolenko.yury@gmail.com; кафедра вычислительной техники; специалист; аспирант.
Бутов Павел Александрович - e-mail: pbootoff@gmail.com; кафедра вычислительной техники; специалист; аспирант.
Chernukhin Yuri Victorovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: chernukhin@dce.tsure.ru; GSP-17A, 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371656; the department of computer engineering; dr. of eng. sc.; professor.
Dolenko Yuri Sergeevich - e-mail: dolenko.yury@gmail.com; the department of computer engineering; specialist; postgraduate student.
Butov Pavel Aleksandrovich - e-mail: pbootoff@gmail.com; the department of computer engineering; specialist; postgraduate student.
УДК 621.391
C.B. Кравцов
МЕТОДЫ УЧЕТА РАССОГЛАСОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СТЕРЕОЗРЕНИЯ В ИЗМЕРЕНИЯХ ТОЧЕЧНЫХ ОБЪЕКТОВ
НАБЛЮДАЕМОЙ СЦЕНЫ
Актуальной является задача повышения точности измерений цифровой системы стереозрения при наличии рассогласований её параметров. В качестве цифровой системы стереозрения анализируется система из двух сонаправленных цифровых видеокамер.
Рассматриваются методы учета рассогласований параметров цифровой системы стереозрения в измерениях точечных объектов наблюдаемой сцены. Приводятся результаты экспериментов по учету в измерениях точечных объектов наблюдаемой сцены рассогласований параметров цифровой системы стереозрения. При учете оценок рассогласований в измерениях рассогласованной цифровой системы стереозрения достигается приемлемое качество измерений. Методы учета рассогласований параметров могут применяться для повышения точности измерений цифровой системы стереозрения при наличии рассогласований её параметров.
; .
S.V. Kravtsov
METHODS OF THE ACCOUNT OF DIGITAL STEREOVISION SYSTEM MISMATCHES IN OBSERVABLE SCENE POINT OBJECTS MEASUREMENTS
Is actual the task of improving the measurement accuracy of digital stereovision system in the presence of mismatches of parameters. As a digital system is analyzed stereovision system of two collinear digital cameras.
Consider methods of digital stereovision system mismatches accounting in measurements point objects observed scene. Results of experiments under the account in measurements of an observable scene dot objects of digital stereovision system parameters mismatches are resulted. Разрешить написание латиницей. When taking into account estimates of mismatches in measurements mismatched digital stereovision system achieved an acceptable quality of the measurements. The methods can be used to enhance the accuracy of digital stereovision system in the presence of mismatches of parameters.
Stereovision; measurement error.
Анализируется задача повышения точности измерений в цифровой бинокулярной системе технического зрения (БСТЗ) при наличии рассогласований её параметров. Полагается, что все возможные рассогласования двух видеокамер (ВК) в БСТЗ [1-3] можно привести к случаю рассогласования параметров 2-й ВК относительно 1й. В результате калибровки БСТЗ получены оценки рассогласований БСТЗ (несоос-ность - отклонения оптических осей ВК по углу места а, крена Д тангажа у; расфокусирование - разность фокусных расстояний объективов ВК /=/вк2-/вк ъ и смещение оптических центров ВК вдоль осей X - дх, У - ду, Ъ - дг декартовой системы ко), . анализа методов учета рассогласований при измерениях БСТЗ и оценки качества измерений при применении методов учета оцененных рассогласований.
Влияние на изображения стереопары рассогласований параметров цифровой БСТЗ можно разделить на две группы: 1) приводящие к линейным, а, следователь, ; 2) -, -мых объектов сцены. В зависимости от группы меры компенсационного характера применяются либо ко всему изображению фотоматрицы ВК, либо индивидуально к проекции точки трехмерной сцены на фотоматрице ВК.
Ко второй группе относятся рассогласования, связанные со смещением оптического центра ВК2 по координатам X, У, Ъ. При априорно неизвестном удалении проецируемых в изображение ВК объектов сцены величину поправочных коэффициентов для данных рассогласований рассчитать не представляется возможным. Поэтому компенсационные меры применяются индивидуально к интересующей
2. , -пользовать полученные оценки рассогласований, связанные со смещением оптического центра ВК2 по координатам X, У, Ъ, при производстве измерений БСТЗ.
При наличии смещения оптического центра ВК2 по координате X разумным
решением представляется корректировка величины стереобазы БСТЗ на 3X при нахождении координат точек наблюдаемой трехмерной сцены.
Статистические исследования [2, 3] влияния рассогласований показали независимость точечных оценок по координатам X,Z от смещения оптического центра ВК2 по координате У при малых значениях ду. Среднее величины ошибок измере-
квадратических отклонений (СКО) ошибок измерений при малых значениях от-
щения по координате У оптического центра ВК2, ее можно учесть при определении координат точек наблюдаемой трехмерной сцены.
Выражение для точечных оценок координат точек трехмерной сцены [1] с
ний по координате У при наличии ду составляет
-
у
« 1 с
■ Следовательно, располагая оценкой о у сме-
учетом оценок 3 х, 0 у примет вид
у
о у
2
Разработка простого механизма компенсации смещения оптического центра ВК2 по координате Ъ при измерениях весьма затруднительна в силу того, что априорно неизвестно удаление проецируемых в изображение ВК2 объектов сцены. В этих условиях возможно применение метода последовательного приближения. Полагается, что нам известна после проведения процедур калибровки стереосистемы 5г оценка смещения оптического центра ВК2 по координате Ъ. Обратимся к рис. 1.
Точка трехмерной сцены М проецируется при наличии смещения оптическо-2 Ъ 2, 1. полагать, что рассогласование отсутствует (такое положение ВК2 обозначено ), , на рис.1 как М1 с координатами (х1,у1,г1). Однако зная, что в системе имеются рассогласования, следует применить поправочный (масштабный) коэффициент, значение которого будет переоценено (недооценено) в связи с неправильностью определения глубины точки сцены. Такая переоценка (недооценка) масштабного коэффициента при его применении приведет к смещению проекционной точки 1 на матрице ВК2 в точку 1’. Вычислив новую оценку положения точки М при использовании проекции 1’ на ВК2, получим точку м1’ с координатами (х1’,у1’,г1’). Оче-, , вычисляемыми как
х _ х1 + X,- У _ У1 + Уг г _ г + гг
х — , у — , г — .
2 2 2
Масштабный коэффициент кг для приведения проекции 1 в проекцию 1’ на матрице ВК2 вычисляется из соотношения 5г _ (1 - кг) * г1.
кг, -
2, ,
что при идеальной согласованности БСТЗ сопряженные пиксели на изображениях стереопары должны иметь совпадение в номерах строк, т.е. /вк 1=/ш2. При смещении
оптического центра ВК2 по координате Ъ равенство /вк 1=/в к2 будет нарушено. Тогда
масштабный коэффициент будет получен через соотношение к _ М +1—2/м“[.
г М +1 - 2/ш;2|
При наличии смещения оптического центра ВК2 по координате Ъ мае штабные коэффициенты вычисляются и применяются индивидуально для конкретной проекции на матрицу ВК2 измеряемой точки.
При наличии расфокусирования БСТЗ масштабный коэффициент, наоборот,
2.
оценки расфокусирования 3/ _ /ВК2 - /вк 1 _ ( - 1)/вку масштабный коэффициент
Также можно применить и методику расчета масштабного коэффициента к/, описанную для компенсации влияния смещения оптического центра ВК2 по коор-
Механизм компенсации изменений, вносимых в изображение ВК2 отклонением оси по углам места и тангажа, схож. Вначале следует устранить величину смещения по горизонтали (вертикали) геометрического центра изображения ВК2 от главной точки фотоматрицы. Для устранения линейных искажений изображения
2, к (к ), определяется оценкой рассогласованности осей ВК по углу места (тангажа)
Для устранения влияния рассогласованности осей ВК по углу крена следует произвести обратный поворот относительно главной точки матрицы изображения 2 .
Для проверки эффективности методов учета оценок неустраненных рассогласований при измерениях рассогласованной БСТЗ, проведены модельные экспери-, .
Имеется БСТЗ с известными параметрами. Задан набор случайных, равномерно распределенных в измерительном пространстве точек сцены. Измерительное пространство ограничено по глубине сцены заданной диспарантностью.
1.
системой. Определяются параметры качества измерений (СКО и среднее ошибок ) .
2. . -ных точек сцены производится измерение их координат рассогласованной системой. Определяются параметры качества измерений по всем координатам при на.
3. Производится оценка А величин рассогласований параметров БСТЗ проведением калибровки. Оцененные величины рассогласований А учитываются при производстве измерений рассогласованной БСТЗ на исходном наборе случайных
. -натам при учете рассогласований.
4. Производится сравнение показателей качества измерений, полученных при реализации п. 1,2,3 схемы модельного эксперимента.
Для модельного эксперимента выбрана БСТЗ с параметрами: расстояние между ВК (стереобаза) - 0,5 м; фокусное расстояние ВК - 8 мм; размер пикселя Дх=Ду=3 мкм; размер матрицы ЛХМ=1600х1200. Зона измерений ограничена диспарантностью ^д>25, или максимальная глубина измерения точек сцены составляет
к/ вычисляется кг = 1 —
= \М +1 - 2 ]ш,1
7 М +1 - 2 ^
ка= 1 - 1ё(£5г), ку= 1 - 1ё(;)>).
2^ = 25) =■
Объем набора случайных, равномерно распределенных точек сцены Q = 32000. Результаты расчета параметров качества измерений идеально согласованной БСТЗ представлены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры качества измерений согласованной БСТЗ
Статистические распределения ошибок измерений координат точек трехмерной
сцены
Центральные моменты распределений ошибок измерений координат точек ___________________________трехмерной сцены_____________________________
г I = 0 м, й О N ІСО Є 1. „ = 0,04 м,
л ІД =0 у|4=0 г 1Д = 0
1.0 = 0,10^ м. (СГє 1 ~ 0,078 м. 1 у Л Д=0 С\є1= = 0,595 м. 0
При значениях рассогласований А БСТЗ / = 0,03 мм; а = 0,4 град; Р = 0 град; у = 0 град; дл = 6 мм; ду = 0 мм; дг = 0 мм получены параметры качества измерений на исходном наборе точек сцены рассогласованной БСТЗ, представленные в табл.
2. Выбор значимых рассогласований А БСТЗ в эксперименте не случаен. Такой набор имитирует один из наихудших вариантов рассогласований [3].
2
Параметры качества измерений рассогласованной БСТЗ
Статистические распределения ошибок измерений координат точек трехмерной
сцены
Центральные моменты распределений ошибок измерений координат точек трехмерной сцены
є I = 0,08 м, лІД* 0 ’ ’ &\єл I ~ 2,41м. Є I = -0,03 м, у\ Д*0 сС Гє Ц ~ 1,82 м. ь уЛ Д*0 Є 1 0 = -12,34 м, г 1Д*0 5 С\єт ] = 6,44 м. 1 М Д*0
Представленные в табл. 2 параметры качества измерений рассогласованной БСТЗ свидетельствуют о многократном увеличении СКО ошибок измерений координат точек сцены по сравнению с измерениями согласованной БСТЗ. Так,
с Є
С\Є II
I- ХЦ Л=0
-241 = 23,4; &М™ = -!^ = 23,3; " — = 10,8.
0,103 <%]| = 0,078 С Є ]|А=0 0,595
Кроме того, наблюдается значительный рост (в абсолютных величинах = в 310 раз) средних ошибок измерений по координате Ъ. Отличными от нуля стали и значения средних ошибок измерений по координатам X и У.
Проведением калибровки [4] БСТЗ определена (рис. 2) оценка А вектора рассогласований: 8/ = 0,03 мм; а = 0,4 град; /3 = 0град; у = 0 град; 8х = 6 мм;
8у = 0 мм; 8г = 0 мм.
Рис. 2. Результаты калибровки БСТЗ: а - наложенные изображения калибровочных объектов стереопары; сечения нормированной взаимокорреляционной функции изображений ВК1 и ВК2 в плоскостях
рассогласований: б - а-д/при 8х = 6 мм; в - о-дх при 8/ = 0,03 мм; г - дх-д/при
а = 0,4 град.
При учете выявленных рассогласований в измерениях координат точек трехмерной сцены получены показатели качества измерений, представленные в табл. 3. Полученные данные свидетельствуют о значительном уменьшении СКО ошибок измерений по всем координатам и приближении их к значениям для согласован.
3- Z, -
симальной глубине измерений Zmax точек сцены, увеличилось по сравнению с согласованной системой не более чем
3г\є71 „ - 3t\є71
__L z^lА-А________ 7^1 А=0 ^ 18
z ’
мах
Таблица 3
Параметры качества измерений рассогласованной БСТЗ при учете выявленных рассогласований
Статистические распределения ошибок измерений координат точек трехмерной
сцены
Центральные моменты распределений ошибок измерений координат точек трехмерной сцены
є\ - — 0,004 м, л ІД-Д 0 [Є 1 - А — 0,1б7м. єі „ — -0,001м, УІД - А 0 kl — 0,118 м. L УЛ 4-4 є I . — 0,048 м, 2 1Д-Д 0 [є І - д— 0,899 м.
Значения средних ошибок измерений по всем координатам после учета в измерениях полученных оценок рассогласований не существенно отличаются от значений для согласованной системы.
Очевидно, что предварительным этапом перед использованием БСТЗ как измерителя должен быть этап калибровки, позволяющий получить максимально правдоподобные оценки рассогласований, устранение которых не представляется возможным. Знание значений рассогласований позволяет их учитывать в измерениях БСТЗ представленными методами для получения результатов с приемлемым качеством.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Румянцев К.Е., Кравцов С.В. Анализ измерительного пространства цифровой телевизионной стереоскопической системы. Точечное и интервальное оценивание координат то// .
- 2011. - Т. 7. № 3. - С. 38-48.
2. Румянцев К.Е., Кравцов С.В. Анализ ошибок измерений глубины точек трехмерной сцены цифровой телевизионной стереоскопической системой // Радиотехника. - 2011.
- № 9. - С. 83-93.
3. . .
точность измерений // Информационное противодействие угрозам терроризма. - 2011. -№ 17. - С. 46-56.
4. . . -
ния посредством информационного и корреляционного анализа изображений стереопары // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 4 (129). - С. 108-113.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.А. Зори.
Кравцов Сергей Валентинович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: krsvtg@rambler.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А; тел.: 88634312018; кафедра информационной безопасности телекоммуникационных систем; заведующий лабораториями; ассистент.
Kravtsov Sergey Valentinivich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: krsvtg@rambler.ru; GSP-17A, 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634312018; the department of information security telecommunication systems; head of laboratories; assistant.
