CC BY
38
Информатика, вычислительная техника и обработка информации
УДК 681.5
ОШИБКИ ПОЛУЧЕНИЯ ПАНОРАМНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ И СПОСОБЫ ИХ КОМПЕНСАЦИИ
Д.В. Чеховский, М.Б. Цудиков
Рассмотрен общий случай формирования панорамы из нескольких изображений,а такжерассмотрены возможные ошибки сшивания и способы их компенсации.
Ключевые слова: панорама, система панорамного наблюдения, реперные точки.
Одним из способов получения панорамного изображения является соединение последовательности кадров в единое изображение. Как правило, соседние изображения п и п+1 соединяются с определенным перекрытием, которое может составлять от 5 до 30% ширины кадра.
Для точного соединения кадров необходимо сопоставление как минимум по двум реперным точкам, найденным в общей зоне соседних кадров. Через найденные точки проводится некоторая линия - «шов» [1].
Вследствие инерционности поворотной части систем панорамного наблюдения (СПН), люфтов в механизме поворотной части СПН, пропуска шагов электродвигателем, вибраций самой системы неизбежно смещение оптического центра объектива системы от исходного положения. Это приводит к смещению кадров п и п+1 относительно друг друга, и появляется ошибка Азп между действительной зоной перекрытия кадров и ожидаемой (рис. 1).
Ошибка зоны перекрытия Азп определяется как разность между требуемым и действительным положением кадров формируемой панорамы и зоны перекрытия
А з.п. = рт (Х у)-рд (х у)
В ошибке зоны перекрытия Аз п выделим горизонтальную и вертикальную составляющие. Горизонтальную составляющую Ах ошибки Азп определим как разницу между линией горизонта и осью х действительной зоны перекрытия, вертикальную составляющую А у - как расхождение между осями удействительной и ожидаемой зон перекрытия.
В общем виде разница между действительной и ожидаемой зоной перекрытия кадров Азп определяется формулой:
Аз.п. =АХ +АУ =Ам.с.+Ав.с,
где Амс - погрешности, связанные с механической частью системы; Авс - погрешности, связанные с внешней средой.
Рис. 1. Смещение действительной общей области кадров относительно ожидаемой:1 - действительная зона перекрытия; 2 - кадр п; 3 - система координат действительной зоны перекрытия; 4 - система координат ожидаемой зоны перекрытия; 5 - ожидаемая зона перекрытия; 6 - кадр п+1
Для придания СПН астатизма относительно возмущающего воздействия и компенсации составляющих ошибки А мс и Авс необходимо ис-
пользовать управление системой по обратной связи или комбинированное управление, поскольку ошибка механической части системы Амс хоть носит в основном статический характер, ошибка внешней среды Авс - стохастическая.
Наиболее существенными составляющими погрешности Ам с явля-
ются:
1. Ошибки кинематической точности зубчатых передач и плавности
работы механической передачи ек
к.точн. ■
Ошибки кинематической точно-
сти е
к.точн.
происходят вследствие погрешности шага и формы зубьев и приводят к расхождению между постоянным передаточным отношением и мгновенным гм. Вследствие этого в системе панорамного наблюдения
1п
изменяется размер кадров. Также могут возникать ошибки при некоторых способах определения угла поворота зубчатых колес.
Ошибки кинематической точности определяются как
ек.точн. = (ад — ан )г, где ад - действительный угол поворота зубчатого колеса; ан - номинальный угол поворота зубчатого колеса; г - радиус зубчатого колеса.
Для предотвращения и минимизации ошибки кинематической точности екточн. рекомендуется изготавливать зубчатые передачи с классом точности не ниже 8-го. Использование высокоточных и точных зубчатых передач (6-й и 7-й классы точности) позволит сократить влияние ошибки кинематической точности до 0,1 ...0,25% за один оборот колеса.
2. Пропуск шагов электродвигателем и проскальзывание зубчатого колеса или муфты на валу. Данная проблема, как правило, носит стохастический характер. На практике у двигателей с шагом 0,8° пропуск шагов не превышает 1-2 шага за оборот, т.е. 0,25 - 0,5%.
3. Ошибка, связанная с инерционностью вращающейся части системы. В связи с малой массой объектива СПН (несколько сотен граммов) и других подвижных частей вносит погрешность в работу системы не более
Как было указано выше, ошибки механической части системы весьма эффективно компенсируются вводом обратной связи в контур управления СПН.
Значения составляющей ошибки зоны перекрытия Ав с , очевидно, не зависят от течения времени и могут принимать любые значения,т.е. основу ошибки Авс составляют стационарные стохастические процессы, которые описываются математическим ожиданием:
Ошибка Ав.с. является наиболее трудно оцениваемой и компенсируемой составляющей ошибки работы СПН, поскольку очень сильно зависит от условий работы устройства. При сильных вибрациях рекомендуется снабдить СПН системой стабилизации объектива и фотоэлектронного преобразующего устройства, чтобы Авс ® 0.
Сшивание по реперным точкам на общей зоне двух кадров позволяет компенсировать их сдвиг и минимизирует ошибку Аз п . Однако следует учитывать, что это вносит новую составляющую ошибки Ар т , связанную
с ложным сопоставлением реперных точек на двух изображениях. Минимизировать данный тип ошибки можно с помощью повышения точности сопоставления, а также применением статистических методов по отбраковке ложных соответствий между точками.
Наиболее распространенный алгоритм заключается в поиске исходных данных 8, построении гипотезы 0 на основе найденных исходных данных £ и построении функции оценки гипотезы Я. Проверка гипотезы 0 происходит в несколько итераций до тех пор, пока количество выбросов реперных точек не станет меньше некоторого порога е.
Вычисляется степень несогласия гипотезы 8по формуле:
1%.
~ = | xw(x)dx = х = Кш ф
—¥
где х - случайная величина; w(x) - плотность вероятности.
где ц (в)2 - неувязка гипотезы.
Точность работы подобных алгоритмов, как правило, ограничена лишь вычислительной мощностью обрабатывающего центра СПН. На практике выбирают количество выбросов гипотезы Я не более 5%.
Необходимо учитывать, что сшивание по реперным точкам кадров п и п+1, смещенных относительно друг друга, приводит к тому, что появляются «лишние» участки, не соприкасающиеся непосредственно с другим кадром (рис. 2, поз. 2 - 3). Данные участки приходится отбрасывать, что, очевидно, приводит к уменьшению панорамного изображения и потере поступающей информации.
I
Рис. 2. Итоговое изображение при сшивании кадров панорамы по реперным точкам:1 - линия горизонта; 2 - «лишний» участок кадра п; 3 - «лишний» участок кадра п+1; 4 - итоговое изображение
Выводы
Ошибка Азп существенно зависит как от внешних условий, так и от качества механической части системы. При этом ошибки, связанные с механической частью системы Ам.с. могут быть сведены практически к нулю повышением качества комплектующих СПН и введением управления по обратной связи,в то время как ошибки, связанные с внешней средой Ав с , не всегда возможно скомпенсировать учетом возмущающего воздействия при управлении, в частности, стабилизацией объектива СПН. Для минимизации вибрации и других возмущающих воздействий необходимо применять программные методы, например, сшивание по реперным точкам. Данный метод хоть и приводит к некоторому уменьшению итогового изображения, но обладает высокой точностью и ограничен только вычислительной мощностью системы, что позволяет сохранить высокое качество картинки в сложных динамических условиях.
Список литературы
1. Чеховский Д.В., Цудиков М.Б., Балясный С.В. Исследование процесса сшивания нескольких кадров в единое изображение //Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.Вып. 1. С. 306-313.
Чеховский Дмитрий Валериевич, асп., dmichekh@,gmail. com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Цудиков Михаил Борисович, канд. техн. наук, доц., tsudickov.mb@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
PANORAMIC IMAGE FORMING ERRORS AND COMPENSATION METHODS
D.V. Chekhovsky, M.B. Tsudickov
General case of forming panorama from several images is considered. Potential forming errors and compensation methods is considered.
Key words: panorama, panoramic monitoring system, check points.
Chekhovsky Dmitry Valerievich, postgraduate, dmichekh@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Tsudickov Mikhail Borisovich, candidate of technical sciences, docent, tsudick-ov. mb@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University
