CC BY
45
УДК: 004.89 + 004.65:004.896
В.Д. Яшунский
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАСФОКУСИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ИЗОБРАЖЕНИИ
Современные системы технического зрения находят широкое применение для решения множества различных прикладных задач, связанных, например, с охраной объектов и территорий, с контролем дорожной обстановки, с оперативной оценкой внешней обстановки при управлении автономными мобильными роботами и т.д.. По сравнению с другими средствами очувствления, СТЗ обладает наиболее широким набором потенциальных возможностей по сбору разнородной информации, включая идентификацию форм и распознавание типов наблюдаемых объектов, определение расстояний и т.д.. Поэтому в тех случаях, когда габариты и масса готового устройства диктуют жесткие ограничения на используемые системы (что актуально для мобильных роботов) предпочтение отдаётся именно СТЗ.
В данной статье рассматриваются принципы построения СТЗ на основе эффекта расфокусирования объектов на изображении. В основу метода положен тот факт, что объектив проецирует четкое изображение лишь для тех объектов, которые располагаются в пределах диапазона резкости. Объекты, расположенные ближе или дальше, оказываются размыты. Таким образом, по серии снимков, снятых с одной точки с различным значением фокусного расстояния, можно определить дистанцию до объектов, расположенных в поле зрения объектива [1-2].
Принцип определения дистанции заключается в нахождении кадра, на котором объект становится резким, притом, что на предыдущем кадре он был размыт. В случае нахождения такого кадра можно говорить о том, что дистанция до объекта лежит в диапазоне, ограниченном расстояниями до ближних границ резкости этих двух кадров. Необходимыми условиями для получения приемлемой точности являются малое значение числа диафрагмы и малое изменение фокусного расстояния между последовательными кадрами. Выполнение первого условия обеспечивает резкое размытие изображения объекта при его выходе из области фокусировки ( ), -деляет дискретность определения расстояний.
Критерием резкости изображения является степень отличия цвета точки от цветов окружающих точек и может быть вычислена по формуле:
С, = I /ра1.(X,, X,)
(1)
где С1 - степень контрастности для текущей точки,
I - множество соседних точек,
Х1 - цвет текущей точки,
X; - цвет рассматриваемой точки из множества I,
ДХ X;) - функция определения разности цветов, например сумма разностей по каждому из цветовых каналов, взятых по модулю.
Функция зависимости степени контрастности каждой точки от фокусного , , -, , оказался в фокусе при низких значениях функции на всём остальном диапазоне. ,
графике. Для практического применения требовалось определить критерии пика, так как наличие произвольного локального максимума на графике не является достаточным условием для снижения достоверности данных.
Адекватным критерием того, снижает ли данная точка степень достоверности данных, является ее близость к максимуму. Таким образом, достоверность можно определить по формуле
где Я - степень достоверности;
N - количество кадров;
Стах - максимальное значение контрастности на рассматриваемом диапазоне; Ст1П - минимальное значение контрастности на рассматриваемом диапазоне; С1 - .
Значение степени достоверности будет стремиться к 1 с приближением к иде, -
кости, в следствии чего Ст1П стремится к 0, а С1 стремится к Ст1П для всех кадров, кроме одного, для которого С1 = Стах.
Практические испытания показали, что с учётом шумов и реального значения ,
превышающая 0,03 .. 0,05.
После исключения всех точек, достоверность которых не была признана доста,
,
. .
процедуры интерполяции является определение этих расстояний на основе данных
. , -
странения. На каждом шаге этого метода значение расстояния, присвоенное каждой
из опорных точек, распространяется на соседние точки, до которых расстояние еще .
где Р0 - какая-либо из опорных точек;
1Ро - ближайшая окрестность опорной точки Р0;
Р - произвольная точка, принадлежащая множеству 1Ро;
БРо - расстояние до опорной точки,
ЯРо - степень достоверности определения расстояния до Р0;
БР - расстояние до Р;
ЯР - степень достоверности определения расстояния до Р.
Итерации продолжаются до тех пор, пока в сетке присутствует хотя бы одна точка с неопределенным расстоянием. К особенностям данного подхода относится , . Это является оправданным с точки зрения самой методики определения расстояния до объектов по фокусированию объектов на изображении, так как, изменяя фокусное расстояние дискретно, мы можем получить лишь дискретное изменение данных о дальности для объектов. В результате полученная сетка глубины будет обладать той же дискретностью, с которой был снят эксперимент.
С,
тах
я =
N
(2)
Р с Jр , Яр = 0 ^ Вр := Вр , Яр := Яр
1 о 1 1 1 о 1 1 о ’
(3)
Достоинства метода:
♦ отсутствие необходимости в структурированном источнике освещения
-
, ;
♦ использование объективов с малым значением диафрагмы, обусловленное требованием к малой глубине резкости означает, что объектив обладает большой светосилой, и, следовательно, может производить сканирование в условиях худшей освещённости без использования дополнительных источников света;
♦ сканирование осуществляется с одной точки, без необходимости смены
, -
ное положение камеры на различных снимках, или же использовать не, , -
вом случае повышает точность сканирования, а во втором - снижает не-
обходимые габариты устройства;
♦ отсутствие необходимо сти сопоставления образов, как в методе построения модели по двум статичным изображениям.
:
♦ для работы требуется вы сококачественный объектив, так как, требуемые характеристики присущи крупногабаритным и дорогостоящим моделям;
♦ при использовании объе ктива небольших габаритов, сканирование можно осуществлять только в пределах 10-20 метров от точки съёмки;
♦
, , -ным судить об их расположении внутри или вне зоны фокусировки.
Полученная сетка высот может быть представлена в виде трехмерной тексту, ,
.
Предложенная методика была успешно апробирована в рамках широкой серии модельных экспериментов, подтвердивших возможность построения средств измерения расстояний и создания трехмерных сцен на основе эффекта расфокусирования объектов на изображении (рис. 1).
а б
Рис. 1. Внешний вид полигона на котором производился эксперимент - а; построенная поверхность - б
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Chaudhuri S.and Rajagopalan A. Depth from defocus: a real aperture imaging approach, Springer Verlag, 1999.
2. Pentland A. A new sense for depth of field. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., 9:523531, 1987.
УДК 621.311.001.57
В.Е. Высоцкий, А.А. Андреев, В.Д. Привалов, АХ. Гуртов, А.Н. Филатов ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЙ МОДЕЛИРУЮЩИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ,
ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ АВТОНОМНЫХ ОБЪЕКТОВ
Системы автономного электропитания (СЭП) относятся к разряду сложных . -вучесть и работоспособность объекта в целом, а масса и стоимость СЭП существенно влияют на его основные характеристики. Кроме того, значительная доля затрат необходима на стадии разработки и испытаний опытных образцов и готовых изделий [1, 2].
Несмотря на значительные преимущества аналитических методов разработки СЭП, они имеют ограниченную достоверность. Поэтому отдельные стадии разработки систем требуют обязательного использования физических элементов или физических моделей элементов СЭП. Сочетание вычислительных средств и методов с методами физического моделирования является естественным и необходимым при разработке автономных систем. В данной статье ставится и решается задача наиболее рационального сочетания этих методов.
Для решения задач разработки и исследования автономных СЭП предложен физико-математический моделирующий комплекс (ФММК).
ФММК рассматривается как универсальная моделирующая система, состоящая из комплекса программно-информационных средств математического моделирования и комплекса аппаратно-программных средств физико-математического моделирования СЭП автономных объектов. Он позволяет сформировать модель , , модели объекта испытаний поведение СЭП в различных режимах, а также предоставить пользователю средства формирования и ведения баз данных информационно-методической поддержки проектирования, отработки и эксплуатации системы.
- - -
рования рассматривается как совокупность физических моделей СЭП, образцов
реальной аппаратуры и имитаторов внешних воздействующих факторов, матема-. -
ной СЭП при учете зависимостей параметров физических моделей от внешних ус-
, , физических и математических моделей и комплекса управления, позволяющего проводить отработку полномасштабных экспериментальных установок.
Данная структурная схема позволяет отказаться от проведения экспериментальной отработки СЭП на натурных установках без потери достоверности и .
Структурная схема экспериментальной установки для обработки СЭП с использованием физико-математического моделирования приведены на рис. 1.
