CC BY
25
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА / JOURNAL OF APPLIED INFORMATICS
_ [ Том 11. № 6 (66). 2016 ]
Д. А. Рощин, канд. техн. наук, ФГБУ «3 ЦНИИ», г. Москва, whwhwh@mail.ru
Модель видеограмметрической координатно-измерительной системы
Производится обоснование необходимости разработки видеограмметрической коор-динатно-измерительной системы. Определяются ее назначение, состав, принцип действия, а также формируются основные требования, предъявляемые к ней. В целях подтверждения принципа действия разрабатываемой системы, проверки ее функциональной части на возможность выполнения назначенных функций, а также отработки методики проведения координатных измерений была создана полнофункциональная модель координатно-измерительной системы. В данной статье представлено описание этой модели.
Ключевые слова: координатно-измерительная система, модель измерительной системы, цифровая обработка изображений, сферическая система координат, обнаружение контуров.
Введение
Наглядность результата имеет важное значение в проектировании любого изделия. Согласно действующим рекомендациям [1, п. 1.2.23] при создании новой продукции в процессе выполнения научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ может быть спроектирована и изготовлена модель, служащая для воспроизведения или имитации конкретных свойств заданного изделия, проверки принципа его действия и определения характеристик.
Определение геометрических параметров (формы, размера, пространственного положения) и других свойств объектов по их изображениям — одна из актуальных задач фотограмметрии [2]. Видеограмметрические средства измерений могут быть задействованы при решении широкого круга задач в процессе строительства, например при проведении геодезических работ или при оценке процессов деформации зданий, мостов и других сооружений. Высокая производительность труда достигается благодаря тому, что измерения проводятся не на реальных объектах, а на их изображениях. Но главное преиму-
щество применения видеограмметрических систем в том, что работы можно проводить дистанционным методом [3], что имеет особое значение в условиях, когда пребывание в зоне работ небезопасно.
Тем не менее видеограмметрические средства уступают в достигаемой точности результатам измерений, получаемым такими геодезическими приборами, как электронный тахеометр или теодолит. С другой стороны, хотя геодезические приборы и являются высокоточными средствами измерений, они в отличие от видеограмметрической системы не способны за короткий промежуток времени выполнить комплексные измерения, предназначенные для определения формы или ориентации объекта в пространстве. Кроме того, геодезические приборы лишены способности самостоятельно производить поиск требуемого объекта и отслеживать его перемещение в пространстве.
Снижение скорости проведения измерительного процесса с помощью геодезических приборов обусловлено и необходимостью установки визирных целей [4], наведение на которые занимает много времени и требует слаженного взаимодействия нескольких
[ 57 ]
геодезистов. Благодаря последним успехам, достигнутым в области развития беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), данная проблема может быть существенно упрощена. Установка визирной цели на летательный аппарат позволит в разы сократить время на проведение измерений, автоматизировать процесс и значительно снизить трудозатраты.
Соответственно, возникает необходимость интеграции приведенных систем, позволяющей реализовать их преимущества и устранить недостатки, значительно расширить диапазон и область совместного применения. Для этого разработана видеограмметрическая координатно-измерительная система (ВКИС), призванная решать координатно-измеритель-ные задачи с точностью измерений, не уступающей точности геодезических приборов, и при этом обеспечивать функциональность и производительность видеограмметриче-ских систем.
Назначение, состав системы и требования, предъявляемые к ней
Подобная система относится к области информационно-измерительных систем и предназначена для решения задач, связанных с измерением дальности, линейных размеров и координат объектов. В процессе обоснования целесообразности разработки ВКИС был проведен анализ существующих средств измерений линейных и угловых величин, что позволило определить следующие основные требования [5], предъявляемые к системе в целом и к ее функциональным возможностям в частности.
1. Разрабатываемая система должна решать координатно-измерительные задачи с точностью измерений, не уступающей геодезическим приборам, и при этом обеспечивать производительность и функциональность видеограмметрических систем.
2. Система должна обладать возможностью автоматического поиска и обнаружения мишени или объекта в зоне прямой види-
мости, отслеживать его перемещение в пространстве и определять его координаты в режиме реального времени.
3. Технические и метрологические характеристики системы должны определяться характеристиками входящих в ее состав компонентов, которые на данный момент способны обеспечивать измерение дальности, линейных размеров и координат объектов на дистанции до 3 км с погрешностью измерения ±20 мм и угловой погрешностью определения координат объектов не более 6".
4. Для разработки системы необходимо осуществить подбор или изготовление таких компонентов, которые будут удовлетворять заданным требованиям и при этом слаженно взаимодействовать в измерительной системе.
В составе системы предполагается использовать следующие компоненты:
• компьютер (ЭВМ) с установленным специальным программным обеспечением (СПО);
• двухосевая платформа, задающая направление обзора видеокамеры;
• микроконтроллер, обеспечивающий интерфейс взаимодействия между ЭВМ и компонентами системы;
• шаговые двигатели, непосредственно изменяющие угол поворота платформы;
• драйвер шаговых двигателей, устанавливающий кратность их шага, что обеспечивает максимальную точность управления углом поворота платформы;
• абсолютные оптические энкодеры, которые выдают цифровой код, характеризующий угловое значение поворота осей платформы;
• лазерный дальномер, определяющий расстояние до визирной цели;
• видеокамера высокого разрешения, оснащенная вариообъективом с изменяемым фокусным расстоянием для поиска мишени и целеуказания;
• БПЛА вертолетного типа, оснащенный дальномером;
• визирная цель (мишень), которая может быть подвешена к БПЛА;
• приемник сигналов глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС-приемник) для определения координат.
Принцип действия
На рис. 1 представлен принцип действия одного из возможных вариантов применения ВКИС для определения координат объектов, расположенных на поверхности земли.
Лазерный дальномер установлен на платформе, обладающей двумя степенями свободы, что позволяет произвести его точное наведение на визирную цель как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскости. Изменение углов поворота платформы обеспечено за счет шаговых двигателей, получающих команды от ЭВМ посредством микроконтроллера. Углы поворота определяются с помощью абсолютных оптических энкоде-ров, закрепленных на осях платформы. Это позволяет вычислить относительные координаты визирной цели, прикрепленной к БПЛА.
Видеокамера установлена на платформе таким образом, что ее оптическая ось сона-правлена лазерному лучу дальномера, благодаря чему производится наведение дальномера на мишень, прикрепленную к БПЛА.
СПО, функционирующее на ЭВМ, обрабатывает потоковое видео, формируемое
видеокамерой, с целью обнаружения мишени. При обнаружении мишени рассчитываются углы отклонения центра мишени от оптической оси видеокамеры и формируются управляющие команды на микроконтроллер, который с помощью шаговых двигателей и драйвера наводит лазерный луч дальномера на мишень. Отслеживание и наведение на мишень производится системой автоматически в режиме реального времени. Высота БПЛА над поверхностью объекта h может быть определена вторым дальномером, прикрепленным к летательному аппарату.
Задача оператора — управление БПЛА, визуальное обнаружение цели с помощью установленной на летательном аппарате видеокамеры и зависание над объектом, координаты которого рассчитываются и отображаются на ЭВМ.
Координаты объекта определяются в собственной сферической системе координат ВКИС (рис. 2) по измеренным с помощью энкодеров значениям углов наклона 0 и поворота ф, а также расстояния г до отражателя, определяемого дальномером.
За начало координат (х0, у0, г0) принимается текущее положение системы. Координаты мишени (г, 0, ф, И), прикрепленной к БПЛА, включают также высоту h над поверхностью
Рис. 1. Принципиальная схема одного из вариантов применения ВКИС
Fig. 1. Schematic diagram of the optical tracking coordinate measuring system for determining coordinates of objects located on the earth's surface
4 £
/ 1 (r, e, . h)
/ / 1
t /
Г/ £_
в t
/ / 'h
/ /
t
Ж во, 9)
Рис. 2. Сферическая система координат для определения относительного положения объекта
Fig. 2. Spherical coordinate system for determining the relative position of the object
объекта, что необходимо для вычисления его координат (r0, 90, ф) в соответствии с формулами
( , \
бо = e+Atg
r ■ cos
(e)
■tg (e)
r ■ cos
(e)
cos
(e-eo )"
Для перевода координат из собственной системы в геоцентрическую систему координат необходимо знать координаты положения системы и направление на север. Это может быть осуществлено с помощью ГНСС-приемника и цифрового компаса.
Модель системы
Для проверки проектируемой системы на функциональность была создана ее полнофункциональная модель (рис. 3), позволяющая воспроизводить или имитировать некоторые конкретные свойства изделия. Это позволило провести взаимоувязку компонентов в единую систему, проверить правильность алгоритмов и произвести отладку разработанного СПО при взаимодействии с компонентами системы, отработать измерительные операции, выполнить калибровку модели системы как средства измерения. В ходе проведенных экспериментов также была дана оценка техническим и метрологическим характеристикам модели.
По аналогии с приведенным ранее составом системы в состав ее модели были включены следующие компоненты: двухосевая платформа, два сервопривода, микроконтроллер и видеокамера. Для удешевления
Рис. 3. Модель видеограмметрической координатно-измерительной системы
Fig. 3. Model of the tracking coordinate measuring system
ro =
конструкции и ввиду функциональной возможности применения видеокамеры в качестве средства измерения расстояний [6] лазерный дальномер был исключен из состава модели. По тем же причинам не использовались оптические энкодеры, шаговые двигатели и драйвер для них. Их функции взяли на себя менее точные, но достаточно простые в управлении сервоприводы. БПЛА, целесообразный для применения на больших расстояниях, и приемник ГНСС, применяемый с ним совместно, как опциональные компоненты системы в ее состав также не включались.
Двухосевая платформа, обладающая двумя степенями свободы, служит каркасом модели для крепления всех компонентов. Трехмерная модель платформы была спроектирована в программном комплексе SolidWorks — системы автоматизированного проектирования, при этом учитывались особенности и размеры предварительно подобранных компонентов модели. При создании платформы применялась технология послойного выращивания с помощью трехмерного принтера, раздаточная головка (экструдер) которого выдавливает слой за слоем на охлаждаемую поверхность воспроизводимого изделия разогретый термопластик.
Сервопривод имеет датчик положения вала, что обеспечивает обратную связь и позволяет определить относительный угол поворота вала. Было использовано два сервопривода, задающих положение по осям поворота и наклона для видеокамеры, закрепленной на платформе. Для вертикальной оси, задающей направление обзора камеры в горизонтальной плоскости, использован сервопривод с углом поворота до 180°, а для горизонтальной оси, отвечающей за наклон камеры, — до 90°.
В качестве микроконтроллера был выбран многоканальный контроллер сервоприводов, обеспечивающий универсальное подключение к компьютеру через последовательный порт TTL или порт USB и предоставляющий
возможность автономной работы под управлением записанных в память контроллера скриптов. Разрешение со встроенным контролем обеспечивается на уровне 0,25 мкс, что составляет 0,025° (1,5") для типового привода, с частотой импульсов до 333 Гц.
Была выбрана видеокамера с типом сенсора CMOS, обладающая следующими техническим характеристиками: разрешение 1280x960, угол обзора 60°, частота смены кадров 30 Гц, фиксированное фокусное расстояние 4,4 мм, проводное соединение с компьютером через USB 2.0.
Функциональная схема модели представлена на рис. 4. Видеокамера выполняет несколько функций, связанных с обнаружением объекта и определением расстояния до него. Сервоприводы передают на ЭВМ через микроконтроллер значения позиций валов, по которым определяются угловые координаты объекта. ЭВМ производит обработку видеосигнала, поступающего с видеокамеры, и данных о позиции валов сервоприводов, передаваемых микроконтроллером. Результатом вычислительных операций, производимых ЭВМ, служат координаты объекта в собственной сферической системе координат.
На рис. 5 изображен принцип действия модели системы для определения координат объекта. Поскольку в состав модели не вошел дальномер, это накладывает жесткие ограничение на форму объектов, координаты которых могут быть правильно определены с помощью модели измерительной системы. Как было показано в [6], видеокамера способна определять расстояние до объектов шарообразной формы известного радиуса. Данный тип объектов может служить мишенью, которая крепится к некоторой точке объекта. Измеряя расстояние L до мишени, можно косвенно определить расстояние до выбранной точки на поверхности объекта. В качестве мишени был использован шар диаметром D = 40 мм, цвет которого представлен уникальным набором цветовых компонентов,
[ 61 ]
Рис. 4. Функциональная схема компонентов модели
Fig. 4. Functional diagram of model components
Рис. 5. Принципиальная схема работы модели координатно-измерительной системы
Fig. 5. Schematic diagram of the model of the coordinate measuring system
позволяющих однозначно выделить его на фоне других объектов.
Сервоприводы не только задают направление обзора видеокамеры, размещенной на платформе, но также имеют датчики, позволяющие определить углы поворота осей платформы ф и 0. С помощью сервоприводов производится наведение оптической оси видеокамеры на центр мишени, что позволяет установить ее угловые координаты в собственной системе координат, представленной на рис. 2.
Описание программного обеспечения
Программное обеспечение (программа) предназначено для выполнения на ЭВМ, работающей под управлением операционной системы Windows. Программный код написан на языке С# — чрезвычайно мощном языке, содержащем средства создания эффективных программ любого назначения и поддерживающем большинство современных технологий программирования.
Программа реализует следующие функции:
• управление работой и обеспечение слаженного взаимодействия всех компонентов, входящих в состав модели;
• поддержание подключения и обработки видеоизображения с различного типа видеокамер, использующих USB или сетевой интерфейс (в том числе беспроводной Wi-Fi) подключения к компьютеру;
• обеспечение взаимодействия через USB интерфейс с линейкой микроконтроллеров (Pololu Maestro Servo Controller), которые, в свою очередь, обеспечивают одновременную поддержку и управление различными типами сервоприводов [7];
• предоставление пользователю графического интерфейса для настройки и управления оборудованием и измерительным процессом;
• обработка полученных данных, поступающих от видеокамеры и микроконтроллера, для вычисления и отображения результата измерения координат мишени.
Пользовательский интерфейс программы реализован с применением визуальных элементов класса Windows Forms, предоставляемых платформой .NET Framework. В качестве графического интерфейса пользователя выбран однооконный интерфейс со стандартным размещением визуальных компонентов, что де-
лает управление программой интуитивно понятным и дает возможность оператору руководить измерительным процессом и видеть полученный результат в одном общем окне (рис. 6).
Окно программы разделено на две области. В первой выводится изображение с видеокамеры, во второй размещены две панели для управления камерой и платформой, а также информационная панель, отображающая результат определения координат мишени. В области видеоизображения на рис. 6 отображена рамка фильтра черного цвета, которая позволяет обнаруживать объект на изображении.
Панель управления камерой обеспечивает возможность выбора определенной видеокамеры, которая установлена на платформе, позволяя задать требуемое разрешение из поддерживаемых ею и ввести параметры, определяющие ее технические характеристики (фокусное расстояние, физический размер пикселя ПЗС-матрицы). На этой же панели в качестве вспомогательного инструмента имеется кнопка, вызывающая окно калькулятора параметров видеокамеры, который позволяет рассчитать ее некоторые неизвестные характеристики. Также имеются кнопки управления выводом видеоизображения и кнопка переключения вида для отображения всей попадающей в кадр сцены целиком или только
Рис. 6. Организация графического пользовательского интерфейса
Fig. 6. Organization of the graphical user interface
рамки фильтра, обнаруживающей мишень, если та находится в поле зрения камеры.
Панель управления платформой позволяет задавать направление обзора видеокамеры с помощью сервоприводов, прикрепленных к горизонтальной и вертикальной осям платформы. Также рядом с кнопками управления сервоприводами выводятся округленные (до градуса) значения, определяющие позиции вала сервоприводов.
Информационная панель содержит информацию о значении расстояния до мишени (в мм) и относительные значения угловых координат (в градусах).
Принцип работы программы следующий. Вначале необходимо произвести подключение видеокамеры и микроконтроллера через USB к ЭВМ и установить платформу в некоторую точку, которая будет служить началом координат. Запустив программу, убедиться, что видеокамера и микроконтроллер присутствуют в соответствующих списках подключенных устройств. Затем в настройках видеокамеры требуется ввести ее технические характеристики и задать одно из поддерживаемых видеокамерой разрешений. Важно отметить, что программа адаптирована для работы с любым заданным разрешением видеокамеры, но более высокое разрешение позволяет получить более точный результат измерений, поэтому следует выбирать максимально возможное из доступных разрешений. После нажатия кнопки вывода видеоизображения в течение нескольких секунд будет установлена связь с камерой, и изображение с нее будет выведено в основную область окна программы. Используя кнопки, находящиеся на панели управления платформы, необходимо навести видеокамеру на мишень так, чтобы мишень оказалась в поле зрения камеры. Как только это произойдет, программа переведет управление платформой на себя и осуществит точное наведение оптической оси видеокамеры на центр мишени, отобразив ее координаты. В процессе работы программы мишень можно перемещать в поле зрения камеры, при этом про-
грамма будет автоматически отслеживать ее перемещения и наводить видеокамеру на нее.
Модель вычислений
Поиск мишени на изображении осуществляется следующим образом. Представим кадр формируемого видеоизображения в виде отдельного двухмерного изображения, которое можно описать функцией двух переменных f (х, y). В качестве модели представления цвета используем цветовое пространство RGB, в котором цвет может быть задан с помощью трехкомпонентного произвольного вектора c = [CR, CG, CB ], представляющего собой сочетание красного, зеленого и синего компонентов цвета. Поскольку цвет пикселя и соответственно значение функции могут быть выражены через трехкомпо-нентный вектор цвета f (х, y) = c [CR, CG, CB ] , а мишень окрашена в оранжевый цвет, т. е. в составе ее цвета синий компонент слабо выражен, то для данного частного случая определим функцию следующим образом:
f (- У ) = CR (- У )+ CG (х, У ) - 2CB (X У ) . (1)
Теперь разделим всю прямоугольную область изображения на локальные области — квадратные ячейки размером 5^5 пикселей. Таким образом, в строке изображения, в зависимости от разрешения, окажется I ячеек, а в столбце будет J ячеек. То есть изображение будет состоять из ячеек, каждая из которых имеет размер 5^5 пикселей. Множество полученных ячеек представим в виде матрицы A, состоящей из I строк и J столбцов, элементы которой используем в качестве аргумента функции
f(aj) = X X f(х,У). (2)
х=5(1-1) У=5( j-1)
Подставив (1) в (2), получим
f (a j) =
5 i 5j
= X X [CR (Х,У) + cg (Х'У)-2CB (-У)].
x=5( ¿-1) y=5( j-1)
Максимальное значение тах[ /(а.)] позволяет приблизительно определить центр мишени на изображении. Затем используется фильтр изображения, окрашивающий пиксели в черный цвет, если они не соответствуют условию f (х,у) > k , где k — пороговый коэффициент. Такой фильтр показан на рис. 6 в виде черного квадрата, обрамляющего мишень. Данный эффект был получен при использовании фильтра с пороговым коэффициентом k = 100.
На следующем этапе производится поиск контура мишени путем определения максимальных значений оператора Лапласа. Этот подход основан на покомпонентной обработке цвета каждого пикселя на изображении с использованием оператора Лапласа, который для функции двух переменных f (х, у), определяемой координатами пикселя, записывается как
V2/ =
2f
dx2 d 2f
ожидания [9] в процессе аппроксимации позволяет отбраковать ошибочно выделенные точки контура и тем самым повысить точность его обнаружения [10].
Расстояние до мишени вычисляется по формуле
Б
L = F
d ■ pix
+1
(3)
Для нахождения вторых производных использовано приближение, задаваемое оператором Собела:
% -1ЕЦ3=1( f (х+1-^у+1 - 7)м(и ;)); ^ -1Е1Еf (х+1-^У+1-7)м 7)).
Обнаружение контура мишени на изображении производилось исходя из следующего условия:
CR (^ У ) = Са ( х, У ) = СВ ( х, У ) =
= Г 0, если V2 f (х, у )> k [255 в противном случае.
После этого к обнаруженным точкам контура применяется метод аппроксимации окружностью по методу наименьших квадратов, описанный в [8]. Использование метода несмещенной оценки математического
где Б — физический диаметр мишени; F — фокусное расстояние объектива видеокамеры; й — диаметр мишени на изображении; ргх — физический размер пикселя ПЗС-матрицы видеокамеры.
Определение угловых координат осуществляется следующим образом. Максимальный угол поворота сервопривода, указанный в его характеристиках, делится на возможное количество позиций, которое может занимать его вал. В модели использован сервопривод, вал которого принимает 9000 позиций при повороте на максимальный угол, составляющий 180°. Соответственно шаг угла поворота составляет 0,02° = 1,2'. На рис. 7 схематично отображена зависимость размера области сцены в кадре от угла обзора видеокамеры.
Зона обзора видеокамеры имеет форму конуса, но из-за прямоугольной формы ПЗС-матрицы представляет собой пирамиду. В результате этого угол обзора X подразделятся на горизонтальный и вертикальный — а и в соответственно. Шаг изменения значения угла, фиксируемый видеокамерой, зависит от размера пикселя ее ПЗС-матрицы. Если принять во внимание, что видеокамера, использованная в модели, способна снимать видео с разрешением 1920^1200, при этом угол ее обзора составляет 60°, то можно определить горизонтальный и вертикальный углы обзора по теореме Пифагора:
(Ж • йX)2 + (Н • йX)2 = Х2; (1920 • й X)2 + (1200 • й X)2 = 602; йX - 0,0265° -1,6', где йХ — угловой шаг обзора, приходящийся на один пиксель ПЗС-матрицы. Таким
Рис. 7. Область сцены, попадающая в кадр видеокамеры в зависимости от угла обзора
Fig. 7. Area of the scene within the frame of the camera depending on the viewing angle
образом, теоретическое отклонение оптической оси от центра изображения мишени на один пиксель по горизонтали или вертикали составит приблизительно 1,6'. Поскольку это значение больше, чем шаг угла поворота, обеспечиваемый сервоприводом, то именно оно характеризует точность модели при определении угловых координат.
Оценка метрологических характеристик модели
Для оценки погрешности определения координат мишени с помощью модели был осуществлен эксперимент, схема проведения которого представлена на рис. 8.
В соответствии с приведенной схемой была выбрана горизонтальная плоскость,
Рис. 8. Схема проведения эксперимента
Fig. 8. Scheme of the experiment
на которую помещена мишень в позицию 1, находящуюся на удалении 1 м от вертикальной оси платформы модели. Координаты мишени определялись с помощью модели измерительной системы. Затем мишень была перемещена в позицию 2 на том же удалении от оси и на расстоянии 0,5 м от первоначальной позиции. Также были получены ее координаты. Действительные значения расстояний определялись с помощью линейки с погрешностью 1 мм. Используя геометрические формулы, легко подсчитать, что угол 9 ~ 28,955°. Эксперимент был проведен 10 раз, по результатам измерений средняя абсолютная погрешность измерения угла составила 0,05°. Как и следовало ожидать, значение погрешности угловых измерений превысило расчетное значение, поскольку в теоретических расчетах не учитывались методическая, инструментальная и субъективная составляющие систематической погрешности. Такие погрешности могли стать следствием неточности позиционирования мишени в соответствии со схемой эксперимента, люфтом вала сервопривода, конструктивными недостатками платформы модели, аберрацией оптической системы и иными неучтенными воздействиями.
Для оценки погрешности измерения расстояния мишень размещалась на различном удалении от модели измерительной системы
Л г, мм
•7 J--0,4
а б
Рис. 9. Погрешности измерений: а — расстояния до мишени; б — диаметра мишени на ее изображении
Fig. 9. Measurement errors: a — the distance from the target; b — diameter of the target in its image
Л[ , MM
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150
Рис. 10. График зависимости абсолютной погрешности измерения расстояния до объекта от его удаленности
Fig. 10. A diagram of absolute error of measurement of the distance to the subject from its distance
в диапазоне 300-1000 мм, действительные значения расстояния до объекта определялись линейкой с абсолютной погрешностью 1 мм. Погрешности результатов измерений представлены на графиках (рис. 9).
На первом графике показана абсолютная погрешность измерения расстояния до мишени. Видно, что погрешность постепенно возрастает по мере удаления объекта от начала координат и на расстоянии метра достигает уже 7 мм. На втором графике приведена погрешность измерения диаметра мишени на ее изображении, выраженная в пикселях. Видно, что погрешность не возрастает по мере удаления мишени и колеблется в пределах ±0,3 пикселя. Таким образом, можно оценить изменение погрешности измерения
расстояния до мишени в зависимости от ее удаления. Если предположить, что максимальная погрешность определения радиуса шара на его изображении не превышает 1 пиксель, можно по формуле (3) построить график, отображающий эту зависимость (рис. 10).
Наблюдается квадратичная зависимость изменения погрешности от расстояния до объекта. Это говорит о том, что видеокамера не является достаточно точным средством измерения на больших расстояниях.
Заключение
Создание модели в процессе разработки измерительной системы — важный этап, на котором проводится анализ достижимости
[ 67 ]
требований, предъявляемых к функциональному назначению системы, и выполняется поиск путей для удовлетворения этих требований. Информация, полученная на этом этапе, поможет определиться с выбором технических средств системы, ее составом, типом и размещением элементов. При этом особое внимание уделяется выбору программной платформы, разработке и отладке программных средств системы.
В ходе создания модели координатно-изме-рительной системы были определены взаимные связи между ее элементами. Проведены операции по достижению согласованного взаимодействия технического, методического, математического и программного обеспечений системы. Осуществлена проверка функциональной части системы на возможность выполнения назначенных ей функций. На практике был опробован принцип действия системы, отработаны методики проведения координатных измерений, а также определены технические и метрологические характеристики созданной модели. Результаты проделанной работы будут способствовать выработке решения проблем, которые могут возникнуть в процессе проектирования и создания координатно-измерительных систем подобного типа.
Список литературы
1. Р 50-605-80-93. Рекомендации. Система разработки и постановки продукции на производство. Термины и определения. ВНИИстандарт, 1993. — 65 с.
2. Алексапольский Н. М. Фотограмметрия: Часть 1. М.: Геодезиздат, 1956. — 412 с.
3. Кацарский И. С. О цифровой фотограмметрии и перспективах ее применения // Геопрофи. 2006. № 6. С. 4-8.
4. ГОСТ Р 51774-2001. Тахеометры электронные. Общие технические условия. Госстандарт России, 2001. — 10 с.
5. Рощин Д. А. Формирование требований для разработки следящей оптической координатно-измери-тельной системы // XIII Международная научно-практическая конференция «Научный поиск в современном мире». М., 2016. С. 21-26.
6. Рощин Д. А. Оценка возможностей фотокамеры в качестве средства измерения расстояний // XI Международная научно-практическая конференция «Актуальные проблемы современной науки в 21 веке». М., 2016. C. 7-13.
7. Каретин А. Н. МНК для аппроксимации данных окружностью. URL: http://mykaralw.narod.ru/articles/ mnk_circle. pdf
8. Pololu Corporation. Pololu Maestro Servo Controller User's Guide. URL: //www.pololu.com/docs/0J40
9. Рощин Д. А. Несмещенная оценка расхождения шкал времени территориально разнесенных эталонов времени и частоты по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем // Апробация.
2015. № 12 (39). С. 35-39.
10. Рощин Д. А. Повышение точности обнаружения контура на цифровых изображениях для объектов, имеющих форму шара // Прикладная информатика.
2016. № 5 (65). С. 5-15.
References
1. R 50-605-80-93. Rekomendacii. Sistema razrabotki i postanovki produkcii na proizvodstvo. Terminy i opre-deleniya. [Recommendations. The system of development and production statement on manufacture. Terms and definitions]. VNIIstandart, 1993. 65 p.
2. Aleksapol'skij N. M. Fotogrammetriya: CHast' 1 [Pho-togrammetry: Part 1]. Moscow, Geodezizdat Publ., 1956. 412 p.
3. Kacarskij I. S. O cifrovoj fotogrammetrii i perspe-ktivah ee primeneniya. [About digital photogramme-try and prospects of its application]. Geoprofi, 2006, no. 6, pp. 4-8.
4. GOST R 51774-2001. Taheometry ehlektronnye. Ob-shchie tekhnicheskie usloviya [The tacheometers. General technical conditions]. Moscow, Standartinform Publ., 2001. 10 p.
5. Roshchin D. A. Formirovanie trebovanij dlya razrabotki sledyashchej opticheskoj koordinatno-izmeritel'noj sistemy [Formation of requirements for the development of the optical tracking coordinate measuring system]. Sbornik materialov XIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Nauchnyj poisk v sovremennom mire» [Collection of materials of XIII International scientific-practical conference «Scientific search in a modern world»]. Moscow, 2016, pp. 21-26.
6. Roshchin D. A. Ocenka vozmozhnostej fotokamery v kachestve sredstva izmereniya rasstoyanij [Assessment of the possibilities of the camera as a means of measuring distances]. Sbornik materialov XI Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii «Aktual'nye proble-my sovremennoj nauki v 21 veke» [Collection of materials of XI International scientific-practical conference
«Actual problems of modem science in the 21st century»]. Moscow, 2016, pp. 7-13.
7. Karetin A. N. MNK dlya approksimacii dannyh okruzhnost'yu. [LSM for approximation of data by a circle]. Available at: http://mykaralw.narod.ru/arti-cles/mnk_circle. pdf (accessed 01.11.2016).
8. Pololu Corporation. Pololu Maestro Servo Controller User's Guide. Available at: http://www.pololu.com/ docs/0J40 (accessed 01.11.2016).
9. Roshchin D. A. Nesmeshchennaya ocenka raskhozh-deniya shkal vremeni territorial'no raznesennyh ehtalo-nov vremeni i chastoty po signalam global'nyh nav-
igacionnyh sputnikovyh system. [Unbiased estimation of time scales difference of geographically dispersed standards of time and frequency using the signals of global navigation satellite systems]. Aprobaciya, 2015, no. 12 (39), pp. 35-39.
10. Roshchin D. A. Povyshenie tochnosti obnaruzheni-ya kontura na cifrovyh izobrazheniyah dlya ob»ektov, imeyushchih formu shara. [Improving the accuracy of contour detection on digital images for the objects having the shape of a ball]. Prikladnaya informa-tika — Journal ofApplied Informatics, 2016, no. 5 (65), pp. 5-15.
D. Roschin, FSBI «3 CNII», Moscow, Russia, whwhwh@mail.ru
The model of the tracer optical coordinate-measuring system
A clear result is important component during the engineering design of any products. A model can created in the process of performing research and development work when new products creating. It is used to reprodutcion or simulate the specific properties of the specified products and is made to verify the principle of its action and characterization.
The creation of a model in the process of engineering design the measurement system is an important stage at which the analysis of the achievability of the requirements for the functional purpose of the system is performed, and searches for ways to meet these requirements. Information obtained at this stage will help determine the choice of technical means of the system, its composition, type, and placement of elements. Particular attention is paid to the choice of the software platform, developing and program debugging.
During the creation of the coordinate-measuring system model mutual relations were determined between its elements. Operation to achieve the coordinated interaction of technical, methodological, mathematical and software of the system is realized. The functional part of the system is carried out to check its ability to perform the assigned functions. The principle of operation of the system is proved in practice, the methods of the coordinate measurement are worked out, and the technical and metrological characteristics of the created model are evaluated. The results of this work will facilitate the development of solutions to the problems that may arise in the process of engineering design and building coordinate measuring systems in the future.
Keywords: coordinate measuring system, model of measuring system, digital image processing, spherical coordinate system, contours detection.
About authors:
D. Roschin, PhD in Technique
For citation:
Roschin D. The model of the tracer optical coordinate-measuring system. Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2016, vol. 11, no. 6 (66), pp. 57-69 (in Russian).
