CC BY
102
УДК 528.714.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАДЕРЖКИ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАТВОРОВ ФОТОАППАРАТОВ В АЭРОФОТОСЪЕМОЧНЫХ КОМПЛЕКСАХ
Дмитрий Николаевич Раков
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. +7-951-907-21-09, e-mail: dir142@211.ru
Вячеслав Николаевич Никитин
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования, тел. +7-913-712-37-50, e-mail: vslav.nikitin@gmail.com
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и Минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, и. о. заведующего отделом геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: staspp@211.ru
В статье поднят вопрос о важности учёта систематических ошибок в определении координат центров фотографирования, вносимых из-за задержек срабатывания затвора. Приводятся особенности способов определения таких ошибок. Выбран более простой и универсальный способ, не требующий вмешательства в конструкцию фотоаппарата. Приведена схема и принцип работы разработанного измерительного стенда для калибровки системы спуска затвора.
Ключевые слова: синхронизация срабатывания затворов, ошибка определения центра фотографирования, аэрофотосъемка, задержка срабатывания.
DEFINITION OF SHUTTER DELAY IN AERIAL SURVEY COMPLEXES
Dmitry N. Rakov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., a postgraduate student of department of physical geodesy and remote sensing SSGA, tel. +7-951-907-21-
09,
e-mail: dir142@211.ru Vyacheslav N. Nikitin
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph.D., Assoc. Prof. of department of physical geodesy and remote sensing SSGA, tel. +7-913-712-3750, e-mail: vslav.nikitin@gmail.com
Stanislav O. Shevchuk
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630108, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, acting as head of department of geodetic maintenance of geological and geophysical works, tel. (383)22-45-86, e-mail: staspp@211.ru
The question raised in article concerns the importance of detecting systematic errors in determining coordinates of the perspective centers caused due to delays of the shutter. Features of methods used for definition such errors are brought. The simplest and multipurposed method
requiring not any intervention in the design of the camera is chosen. A scheme of the working principle developed measuring stand for calibrating the launching system of shutter is presented.
Key words: synchronization of shutter operating, error of perspective center
determination, aerial survey, shutter delay.
Для обработки снимков и построения сети пространственной фототриангуляции (ПФТ) зачастую в качестве опорных данных используются данные, полученные при помощи приемников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) [1,2,3,4]. Но так как на срабатывание затвора фотоаппарата от управляющего сигнала командного прибора требуется время, то данные, полученные при помощи ГНСС приемника, являются несколько некорректными, они отмечают положение и время не в момент срабатывания затвора, а в момент отправки сигнала на его срабатывание. Это затрудняет использование ГНСС данных в процессе ПФТ, вынуждает вводить систематические поправки в положение центра фотографирования для каждого маршрута в отдельности либо, что более эффективно, вводить поправки по времени с учетом вектора движения летательного аппарата. Ещё более эффективным является определение задержки срабатывания затвора фотоаппарата в лабораторных условиях. Такие исследования необходимо проводить и при использовании многокамерных систем для синхронизации времени срабатывания их затворов. Допустимое значение точности синхронизации m§t можно рассчитать как отношение требуемой точности определения координат центров фотографирования mXsys к скорости носителя Vn:
mXs,Ys
™5t =
Vn
(1
)
Современные ГНСС приемники позволяют получать данные о положении аппарата в пространстве с точностью 5-10 см [4,5]. Следовательно, время между отправкой команды командным прибором и срабатыванием затвора должно быть определено с ошибкой, не превышающей вычисленного по формуле 1 значения. Например, для летательных аппаратов, летящих со скоростью 30 м/с и 100 м/с ошибки определения задержки срабатывания затвора не должны превышать 1,7 мс и 0,5 мс соответственно.
Применяемые в аэрофотосъемке камеры, как правило, управляются командным прибором, а реализация промежуточного звена между командным прибором и камерой может быть весьма разнообразной:
- механическое нажатие кнопки сервоприводом [6,7,8];
- управление по инфракрасному каналу;
- подача управляющего напряжения, имитирующего нажатие кнопки.
Первые два способа позволяют не вмешиваться в конструктив самой камеры.
Можно выделить несколько способов для определения параметров задержки срабатывания:
- непосредственное определения момента срабатывание затвора при помощи акустических датчиков или измерение задержки по тайм-коду записанной звуковой дорожки;
- определение момента срабатывания затвора при помощи электрического датчика, установленного вместо вспышки;
- регистрация электрического импульса, подаваемого на затвор;
- определение задержки срабатывания затвора и стабильности этого параметра путем фотографирования динамических объектов (секундомера, счетчика или других движущихся объектов) с регистрацией момента отправки сигнала.
Первые три способа позволяют установить истинный момент фотографирования, последний способ позволяет определить среднюю задержку срабатывания затвора и ошибку её определения. Также этот способ не требует установки дополнительного бортового оборудования, подходит для любого фотоаппарата и не требует вмешательства в конструкцию.
Для определения задержки срабатывания затвора авторами был предложен следующий способ: по сигналу готовности измерительное устройство подает управляющий сигнал на камеру, одновременно запускается электронный счетчик, напротив которого установлена камера. Камера фотографирует счётчик, фиксируя тем самым задержку срабатывания затвора. На основе этого нами был разработан измерительный стенд, реализующий определение задержки путем фотографирования счетчика.
Выбору способа отображения счетчика необходимо уделить особое внимание. Вследствие того, что необходимая точность определения величины 5t высока (тысячные доли секунды), а процесс экспонирования занимает какое-то время, то при обычном, знаковом, отображении данных может возникнуть эффект наложения показаний и, как минимум, достоверность одного младшего разряда будет утрачена. Это значит, что обычное десятичное знаковое отображение не подходит для данных целей. Нами предложено использовать бинарный двенадцатиразрядный счетчик. Данный счетчик визуализирует своё состояние на двух светодиодных линейках. Обе линейки отображают состояние счетчика в двоичной системе счисления, однако вторая линейка работает в негативном режиме относительно первой (рис. 1). Количество разрядов счетчика позволяет измерить 4096 тактовых импульсов, при частоте такта 1 кГц это соответствует 4096 миллисекундам, что достаточно для определения задержки срабатывания затвора. В виду того, что экспонирование все же занимает какое-то время, изображение младших разрядов будет неизбежно «смазано». В качестве средства визуализации состояния счетчика были выбраны светодиодные линейки по причине их чрезвычайно малой
инерционности включения/выключения, многократно превосходящей скорость работы затвора фотоаппарата.
I
I
Позитивная линейка Негативная линейка
I
Расшифровка кода 000 1 0 1 1 1]????
недостоверные разряды
Рис. 1. Принцип визуализации показаний счетчика и определение
недостоверных разрядов
Логическая схема реализации такого счетчика показана на рис. 2. В качестве управляющего ядра устройства выбран микроконтроллер PIC16F690 от компании Microchip. У данной модели микропроцессоров 17 портов ввода/вывода и 1 порт предназначен только для ввода. Количества портов микроконтроллера с избытком хватает для управления двенадцатью разрядами счетчика. Остальные порты можно использовать для других целей и задач, например, для управления режимами работы стенда.
Рис. 2. Логическая схема стенда для определения задержки срабатывания
затвора фотоаппарата
Алгоритм работы измерительного устройства следующий: как только было зарегистрировано нажатие кнопки SA1, микропроцессор отправляет управляющий сигнал на камеру и запускает двоичный счетчик. Значения разрядов счетчика выводятся на соответствующие порты ввода/вывода, к которым подключены позитивная и негативная линейки светодиодов, запитанные от шин «+» и «-» соответственно. Диаграмма сигналов управления и сигналов на выводах, соответствующих разрядам счетчика, показаны на рис. 3.
Рис. 3. Диаграмма сигналов управления и сигналов на выводах счетчика
При фотографировании такого счетчика цифровой камерой со шторнощелевым затвором необходимо учесть, что экспонирование кадра производится последовательно, причём фактическая выдержка может быть намного больше эффективной [9]. Из-за этого возникает систематическая ошибка определения задержки, пропорциональная фактической выдержке и положению счётчика на снимке в направлении движения шторки.
Таким образом, разработанная конструкция измерительного стенда позволяет в автоматическом режиме провести серию экспериментов и, по результатам обработки снимков, определить среднюю задержку срабатывания затвора и ошибку её определения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Никитин В. Н., Раков Д. Н. Разработка концепции автоматической системы управления беспилотным аэрофотосъемочным комплексом // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т.
1. - С. 8-13.
2. Применение материалов аэрофотосъемки с беспилотного летательного аппарата для картографического обеспечения археологических работ / А. Л. Быков, А. С. Костюк, В. Л. Быков, Л. В. Быков, Л. В. Татаурова, П. В. Орлов, П. М. Погарский // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 4. - С. 139-144.
3. Применение малых беспилотных летательных аппаратов для съемки местности и подготовки геоинформационного контента в чрезвычайных ситуациях / В. К. Барбасов, П. Ю. Орлов, П. Р. Руднев, А. В. Гречищев // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных и чрезвычайных ситуациях: предпринимаемые шаги и их реализация с помощью картографии, геоинформации, GPS и дистанционного зондирования» : сб. материалов (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. - С. 61-66.
4. Костюк А. С. Расчет параметров и оценка качества аэрофотосъемки с БПЛА // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4. - С. 83-87.
5. Навигационно-геодезическое обеспечение геолого-геофизических работ с использованием глобальных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS / А. Г. Прихода, А. П. Лапко , Г. И. Мальцев, С. О. Шевчук // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. - С. 174-180.
6. Шевчук С. О., Никитин В. Н. Способы определения истинной высоты аэрогеофизической вертолётной электроразведочной платформы // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 1. - С. 74-82
7. Шевчук С. О., Никитин В. Н. Фотограмметрический способ получения истинной высоты выносной вертолётной платформы // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII междунар. науч. конгр. 10-20 апреля 2012 г., Новосибирск: сб. молодых ученых СГГА. -Новосибирск : СГГА, 2012. - С. 96-101.
8. Кузин В. И., Шевчук С. О., Никитин В. Н. Фотограмметрический способ и устройство для определения истинной высоты выносной вертолётной платформы аэрогеофизического комплекса «Импульс-Аэро» // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. - № 4/С. - С. 86-92.
9. Михайлов А. П. О применении цифровых фотокамер со шторно-щелевым затвором для выполнения аэрофотосъемки с легкомоторных и беспилотных летательных аппаратов / Эдгар Рубен Монтель Андраде, Перес Вальдез Мануэль Де Хесус // Изв. вузов Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2013. - № 4. - С. 30-32.
10. Антонович К. М., Струков А. А. Сравнение результатов линейных измерений, выполненных спутниковыми и традиционными методами геодезии // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 3. - С. 38-42.
11. Антонович К. М., Косарев Н. С. Использование геометрической дальности для контроля ГНСС измерений // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 246-251.
© Д. Н. Раков, В. Н. Никитин, С. О. Шевчук, 2014 6
