CC BY
210
УДК 681.786
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ПРОСТРАНСТВА ОБЪЕКТОВ
Евгений Александрович Крапивко
Филиал ИФП СО РАН «КТИ ПМ», 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. академика Лаврентьева, 2/1, инженер-конструктор отдела конструирования оптико-электронных приборов, тел. 89607954084, e-mail: trueman988@mail.ru
Игорь Олегович Михайлов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, д. 10, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383) 343-91-11, e-mail: mio@sibmail.ru
В статье отмечена актуальность моделирования трехмерного пространства для систем автоматического управления, рассмотрены основные принципы такого моделирования и оптико-электронное устройство для его реализации.
Ключевые слова: моделирование, трехмерное пространство объектов, массив точек, облако точек.
THE FUNDAMENTAL PRINCIPLES OF MODELING THE 3D OBJECT SPACE
Eugeny A. Krapivko
Novosibirsk Branch of Institute of Semiconductor Physics SB RAN «KTI PM», 630090, Russia, Novosibirsk, 2/1 pr. Lavrentieva, engineer, tel. 89607954084, e-mail: trueman988@mail.ru
Igor O. Mikhailov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Candidate of Technical Science, Associate Professor, Associate Professor of Nanosystems and optical devices department, tel. (383) 343-91-11, e-mail: mio@sibmail.ru
The relevance of issue of modeling the 3d object space for automatic control systems is noted. The fundamental principles of the modeling and the optoelectronic device for their realization are considered.
Key words: modeling, the 3D object space, an array of points, a point cloud.
В настоящее время большое внимание уделяется вопросам моделирования трехмерного пространства объектов для информационных систем, систем автоматического управления и контроля. Наиболее эффективным способом получения информации в рассматриваемых системах является лазерное сканирование.
Известны различные принципы и устройства определения координат в пространстве объектов при помощи лазерного сканирования [1, 8, 13, 15]. Однако особенности сбора информации при помощи таких устройств не позволяют оперативно производить ее обработку в системах управления ввиду своей сложности. Невысокая скорость сканирования в таких устройствах не позволяет формировать массив точек (часто называемых облаком точек) для моделирования пространства объектов в масштабе реального времени. Поэтому, актуальной является задача разработки принципов и системы оперативного анализа пространства объектов, обеспечивающая высокую точность построения трехмерной модели в масштабе реального времени при простоте технической реализации [4, 12].
Предлагаемая система моделирования трехмерного пространства (рис. 1) содержит двухканальную проекционную оптическую систему с двумя объективами, например, [5], оптические оси которых параллельны и разнесены на базовое расстояние I. В фокальной плоскости объективов установлено матричное двухкоординатное фотоприемное устройство (ФПУ). Такая система позволяет вычислять координаты массива точек пространства объектов для его моделирования в интеллектуальных системах управления.
£>
сс
| ЬЬ |
Рис. 1. Принципиальная схема устройства для моделирования трехмерного пространства объектов
Понятие «интеллектуальная система» возникло в начале семидесятых годов. С течением времени определение и представление о таких системах менялось. В настоящее время разработаны теоретической основы для создания высокоэффективных программных систем по обработке и использованию знаний для решения целого ряда прикладных задач, включая системы, моделирующие творческие возможности человека. Сейчас такие системы принято называть интеллектуальными. Класс интеллектуальных систем можно определить как класс, строящийся с применением новых информационных технологий.
Развитие информационных технологий привело в последние годы к повышению «интеллектуальности» систем автоматики и их элементов. Со временем сформировалось новое научное направление в теории управления - теория интеллектуальных систем управления [2]. Появились различные направления этой научной теории:
- интеллектуальные приборы;
- интеллектуальные измерительные регистраторы;
- интеллектуальные измерительные каналы;
- интеллектуальные интерфейсы;
- интеллектуальные исполнительные устройства;
- интеллектуальные преобразователи (датчики, сенсоры);
- интеллектуальные транспортные системы.
Устройство работает следующим образом. Излучение от объекта ABCD поступает в двухканальную оптическую систему с базовым расстоянием /, два объектива 7, Г которой независимо друг от друга строят изображения этого объекта. Для объединения этих изображений в плоскости ФПУ 2 введена зеркальная (призменная) оптическая система 3 - 6. В результате в плоскости ФПУ формируется изображение объекта ABCD с двоением контура, величина двоения зависит от дальности до соответствующей точки объекта. Так для точки B объекта при дальности zB двоение будет равно величине bb, а для точки C при дальности zC двоение равно величине cc. Далее с ФПУ сигнал поступает в блок обработки сигнала, где изображение анализируется, определяются характерные точки объекта ABCD и величины двоения изображения этих точек, по которым на основании рисунка 2 вычисляется расстояние zc (координата точки по оси z в пространстве объектов) по формуле
zc=h +h = h н------,
cc
где h - расстояние от точки объекта до главной точки объектива;
h' - расстояние от главной точки объектива до плоскости изображения точки объекта.
Далее вычисляются координаты точки С по осям х и y
С' + С"
хс=к'Сх, ус=к• у ^
где к = у - коэффициент масштабирования для координат хс, у с точки С
объекта ABCD в пространстве объектов;
Сх - координата по оси jc изображения точки С в приборной системе координат хоу;
C'y - координата по оси у изображения точки С в приборной системе координат хоу, построенного объективом 7;
C'y - координата по оси у изображения точки С в приборной системе координат хоу, построенного объективом 1'.
Рис. 2. Принцип определения расстояния до точки пространства объектов
По трем вычисленным координатам характерных точек объекта формируется массив данных, служащий основой для формирования трехмерной модели объекта в пространстве объектов.
Предлагаемые принцип и устройство моделирования объектов в трехмерном пространстве могут быть использованы в интеллектуальных системах управления на транспорте, в военной и гражданской технике, МЧС, в бесконтактных измерительных системах.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Наземное лазерное сканирование: монография / В.А. Середович, А.В. Комиссаров, Д.В. Комиссаров, Т.А. Широкова. - Новосибирск: СГГА, 2009. - 261 с.
2. Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: Основные понятия и определения [Текст] // Изв. А. Н. Теория и системы управления. - 1997. - № 3. - С. 138-145.
3. Айрапетян В.С., Широкова Т.А., Антипов А.В. Использование данных лазерного зондирования для создания трехмерных реалистичных сцен городских территорий // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. - С. 18-21.
4. Антипов И.Т., Хлебникова Т.А. О достоверности вероятностной оценки точности пространственной аналитической фототриангуляции // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 4. - С. 57-65.
5. Хацевич Т.Н. Оптика для тепловизионных приборов // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 43-46.
6. Михайлова В.А., Торопов А.А., Тымкул В.М. Моделирование поля температур объектов в условиях естественного освещения // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 61-64.
7. Математическая модель определения трехмерной формы объектов на основе двух поляризационных термограмм / В.М. Тымкул, Л.В. Тымкул, Ю.А. Фесько, Д.С. Шелковой // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 1. - С. 181-185.
8. Об аттестации современных светодальномеров на эталонных линейных базисах / А.В. Кошелев, А.П. Карпик, Г.А. Уставич, А.К. Синякин, В.А. Кошелев, С.С. Титов, Ю.В. Скипа, А.А. Дубинина, Н.В. Заржецкая // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 5, ч. 2. - С. 115-119.
9. Никитин В.Н., Сидякина А.Е. Методика моделирования цифровых реалистичных макетных снимков с использованием машинной графики // 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. 37-41.
10. Панов Д.В., Черновский Л.А., Юдина А.А. Анализ пространственного загрязнения атмосферы транспортом с использованием 3D-модели городской территории // Интерэкспо ГЕ0-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. 2. - С. 114-118.
11. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Методика и алгоритм определения трехмерной формы объектов на основе поляризационных термограмм // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Специализированное приборостроение, метрология, теплофизика, микротехника, нанотехнологии» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 3-7.
12. Арбузов С.А. Использование цифровых моделей поверхности для выявления изменений на городской территории // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4, ч. 1. - С. 28-30.
13. Лазерко М.М. Оценка геометрической точности 3 D моделей, построенных по различным типам данных в программных продуктах 3dsMax и Google SketchUp // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4, ч. 1. - С. 57-60.
14. Сбор данных по цифровым изображениям при натурном моделировании лесных пожаров / Л.К. Трубина, К.П. Куценогий, Б.В. Селезнев, Д.В. Панов // // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 4, ч. 2. - С. 119-122.
15. Кистерева М.Н. О точности измерений оптическими и оптико-электронными приборами // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 52-55.
16. Тымкул В.М., Тымкул Л.В., Фесько Ю.А. Тепловизионный метод измерения линейных размеров трехмерных объектов // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 107-111.
17. Кузнецов М.М. О теории прикладного цветового моделирования // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 201-203.
© Е.А. Крапивко, И.О. Михайлов, 2013
