CC BY
3
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621:68й .93.932
ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВИДЕООЦИФРОВКИ НА ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ НЕ°ЕГУЛЯРНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Ю. В. Полозков, Д.Н. Свирский, С. М. Литовский
Адекватность компьютерных моделей поверхностей, построенных в результате оцифровки нерегулярных объектов посредством фотометрических систем, в значительной мере определяется достоверностью значений элементов ориентирования задающих взаимное расположение объекта, центра проецирования и изображения Отсутствие в типовых регистрирующих камеоах аппаратных функций, позволяющих определять текущие значения этих элементов (сЬакторов) во многом усложняет процесс видеооцифровки, а использование профессионального оборудования и специальных устройств (дальномеров теодолитов и т. п.) значительно повышает стоимость его проведения. Возможность существенного повышения степени соответствия цифровой модели поверхности реальной форме объекта, при применения стандартных Фото- видеокамер состоит в поиске оптимального сочетания уровней фактороЕ Для этого требуется оценить степень влияния каждого из факторов на получаемый результат выявить закономерность изменения пространственных координат точек объекта и пространственных отношений от изменения управляемых факторов процесса видеооцифровки и построить математическую модель этой связи.
В основе метода видеооцифровки [1], оазработанного в УО "Витебский государственный технологический университет", лежит математически описанная связь видеосъемки и проецирования координатной сетки слайда на поверхность объекта [2]. Поэтому видеосистема реализующая этот метод, включает видеокамеру и проектор. Соответственно, основными управляемыми факторами пооцесса видеооцифровки представляются значения элементов внешнего и внутреннего ориентирован/я видеоизображения и слайда К первым относятся значения расстояния от объекта до главной точки объектива камеры; угпа наклона камеры; угла линии направления съемки; фокусного расстояния камеры, углового ориентирования видеоизображений. Входными факторами проецирования слайда являются значения расстояния от объекта до проектора фокусного расстояния проектора диаметра объектива проектора; удаления крайней линии сетки слайда от главной оптической оси проектора. В статистическом анализе использовался дробный трехуровневый многофакторный нормированный план. Интервалы и уровни варьирования факторов представлены в таблице 1.
При изменении управляемых факторов в процессе видеооцифровки фиксировались величины пространственных координат точек поверхности объекта X, У, а также расстояние между двумя ^очками принадлежащими одной световой проекции слайда - 1_ и расстояние между начальной точкой проекции 1_ и конечной точкой двадцать восьмой проекции 128, как комплексный показатель, характеризующий величину горизонтального и вертикального размера поверхности (рис 1). Изменения пространственных координат V Ъ может рассматриваться в качестве параметров, характеризующих изменения размера поверхности по высоте и ширине соответственно, а изменение аппликаты X может быть показателем изменения "глубины" или объема поверхности объекта оцифровки
При расчете коэффициента вариации и квадратической неровноты (габг 2) установлено, что наибольшую чувствительность к изменениям входных факторов процесса видеооцифровки имеют выходные параметры У и X. При этом
Вестник УО ВГТУ
117
чувствительность У значительно превышает уровень чувствительности остальных параметров.
Рисуиок 1 - Изображение исследуемых параметров видеооцифровки характеризующих линейные размеры компьютерной модели повеохности
Таблица Интеовэпы и иповни варьирования -пактосов
Наименование фактора Условное обозначение Интервал варьирования Уровни варьирования
Видеокамера - 0 +
Фокусное расстояние камеры ОР 1 мм 74 75 76
Расстояние от начала
пространственной системы координат (ПСК) до главной точки объектива камеоы ЭР 10 мм 1390 1400 1410
Угол накпона камеры ЭМ 1° 44 45 46
Угол линии направления съемки 1° -1 0 1
Угол повооота оси х вокруг X Г -1 0 1
Угол повооота оси у вокруг У DNN 1° лл 45 46
Угол повооота оси г вокруг Т □V £ -1 0 1
Лооектор 1°
Фокусное расстояние проектора ОРР 1 мм 114 115 116
Расстояние от объекта до пооектора ОН 10 мм М80 1490 1500
Количество линии половины 00_2 1 19 20 21
слайда
Диамето оОъеюива проектора ЭО 1 мм 34 7 35,7 36 7
Удаление крайней линии сетки слайда от гл. оптической оси ош 1 ММ1 39 40 41
проектора
Для выполненного объема наблюдений с доверительной вероятностью, принятой ро=0,95 получены следующие двусторонние доверительные интервалы:
X -117,61 <,-112.53 £-107,42 У 17,63 <. 20,61 1 23.ВО; 2 39 22 £ 39,43^ 39,64-Й 30 99 Ю< 31 22; 1.28: 15^ 07Э154 66 а 155 24
Таблица 2 - КоэшсЬиииенты вариации СУГ/) и квадратическа^неровнота С(Уу
Параметр С\/{У} тт С (У), %
X 1933100212 -19 331002'|2
У 0.6188998509 61 88998509
Т 0.02269746420 2 269746420
1 0.01594872083 1 594872083
128 0.01616412058 1 616412058
Интегральные функции изменения величин анализируемых параметров отвечают нормальному закону распределения.
Распределение факторов по уровню вклада в формирование выходного параметра по результатам корреляционного анализа представлено в таблице 3
Таблииа 3 - Распределение Факторов по величине корреляционной связи
Параметр Очень сильная Сильная Средняя Слабая
X - ом ОМ ОУ
У - ОО ОУ
г - - ОО 2. ОЫ\1 ОМ ОРР ОМ, ОН ОУ. ОО
1 - - ОР, ОЫЫ ОР ом
128 - ОР 014 ОМ, ОМ -
На рис. 2 а, б и в соответственно представлены типичные графики сильной средней и слабой корреляции между факторами и анализируемыми параметрами.
а бе
Рисунок 2 - Графические отображения типичной корреляционной взаимосвязи между факторами и выходными параметрами (а - сильная, б - средняя, в - слабая)
Как видно из таблицы 2, имеется значительная зависимость выходных параметров от параметров внешнего ориентирования видеокамеры и ее фокусного расстояния. Притом, что факторы слабо коррелируют между собой. Коэффициент их корреляции находится в пределах 0,2<1 г| <0,4. Исключение составляют факторы ОР и ОР, что объясняется их пропорциональностью. Не имеют ощутимой взаимосвязи факторы проектора с факторами, относящимися к видеокамере.
Фокусное расстояние оказывает влияние не на определение непосредственно трехмерных координат, а именно, на получаемые пространственные размеры объекта. Кроме того, при видеооцифровке результаты во многом зависят от значений элементов внутреннего углового ориентирования снимка. На многие параметры значительное воздействие факторы ОМ и ОМ. коррелирующий с фактором ориентирования снимка ОУ Величина 2. изменяется практически пропорционально количеству спроецированных линий слайда и его размера (00_2 01_1М), что объясняется геометрическим смыслом процесса. При этом параметр Ъ незначительно зависит от влияния других факторов видеосъемки, а. следовательно, появляется возможность изменять величины X и У, не оказывая существенного воздействия на аппликату Т.
Вестник У О ВГТУ
119
Для выполнения оптимизации процесса видеооцифровки особый интерес представляют знак и интенсивность изменения параметра в зависимости от изменений каждого фактора т е динамика функции вида Р—(табл 4"1
Табпица л - показаны^зменения_параметров при возрастании Ъакторов
X V 7. 1 |_28
DF Возрастает очень слабо Убывает очень слабо Убывает очень слабо Убывает сильно Убывает сильно
DR Не изменяется Не изменяется Убывает очень спабо Возрастает сильно Возрастает сильно
DM Убывает сильно Убывает слабо Возрастает СИЛЬНО Возрастает сильно Возрастает сильно
DW Убывает очень слаЬо Возрастает сильно Не изменяется Возрастает очень спабо Возрастает очень слабо
DQ Возрастает очень слабо Возоастает сильно Убывает очень слабо Возрастает очень слабо Убывает очень слабо
DNh Убываеу^ сильно Возрастает слабо Возрастает слабо Возрастает сипьно Возрастает сильно
DV Убывав}" слабо Убывает слабо Возрастает слабо Убывает очень слабо Возрастает очень слабо
DFP Возрастает слабо Не изменяется Убывает слабо Убывает очень слабо Убывае* очень слабо
Dh Не изменяется Убывает очень слабо Возрастает слабо Возоастает очень слабо Возрастает очень слабо
DD_2 Убывает слабо Убывает очень слабо Возрастает сильно Возоастает очень слабо Не изменяется
DO Не изменяется Возрастает очень слабо Возрастает слабо Не изменяется Убывает очень слабо
DLN Не изменяется Возрастает очень слабо Убывает сильно Возрастает очень слабо Возрастает слабо
При проведении регрессионного анализа были рассчитаны коэффициенты регрессионной модели проведена оценка уровня их значимости. После исключения незначимых коэффициентов получено! следующие регрессионные многофакторные модели
X =-112,338+ +2 73800 -27,9270ЫЫ -1,7050\/
+3,10100
У = 20,925 + 0,8050К + 1 0090М + 24.3360\Л/ +16,37400 + 2,4970^ 3,374DV Z = 39 441 -0,0590|::+ 0,9370М+ О 1670\Л/ -0,09400+ О 692DNN+ 0,07ЮУ-0,2840РР + + 0,1960Н + 0,89900_2 + 0,26ЮО -0,89601_ГЧ
!_ = 31,231 -0,5890г + О 3920М + 0,08600 + 0,6040ЫЬ 0,0840У -О.ОбЮО 2. 128 р 155,451 -2,3460Р + 1,2051ЭР + 2,7150М + 0,205DW -0 23900 + 3 0280ЫЫ --0,2450\/ + 0,0990ср 0,32800_2 -О 225ПО + 0,340DLN
Анализ регрессионных моделей показал что адекватность определения аппликаты X (объема поверхности) и линейного горизонтального размера модели поверхности во многом зависит от качества проведения юстировки и калибровки видеокамеры. Достоверностью определения углового ориентирования видеокамеры и изображения задается параметр У. В регрессионную модель параметра 7 чак и в модель, описывающую 1.28 вошли 11 входных факторов. Однако большую значимость для 7 имеют факторы, задающие процесс пооецирования слайда, а для 1_28 - факторы относящиеся к построению видеоизображения
Статистический анализ позволяет заключить о высокой степени влияния всех рассмотренных факторов на формируемую цифровую модель поверхности Причем, комплексная оценка связана с высокой трудоемкостью ввиду разнородности влияния конкретно взятого фактора на выходные параметоы процесса видеооцифровки. На практике сокоащение количества варьируемых факторов в
моделях представляется возможным за счет точного измерения расстояния от видеокамеры до объекта, угла наклона видеокамеры углового ориентирования плоскости изображений (осей х и у) в системе координат видеокамеры и точного определения расстояния от проектора до объекта и параметров слайд. Это позволит ограничить оптимизацию процесса поиском требуемых величин фокусного расстояния камеры и проектора угла линии направления съемки' угла поворота оси z изображения относительно оси Z пространственной системы координат т е факторами, определение котооых составляет основную трудоемкость процесса Полученные модели могут составлять основу в разработке аппарата для автоматизации управления процессом видеооцифровки нерегулярных поверхностей посредством нахождения оптимальных вариаций для трудно опоеделяемых факторов.
Список использованных источников
1. Svirsky D., Polozkov У. The industrial application of the irregular 3D-objects image processing in the compact reverse engineering system // Lecture Notes n Computer Science Springer, Berlin, 200'1, 212*. - P. 457 - ¿64.
2. Завацкий Ю А Попозков Ю. В, Свирский Д.Н Математическое моделирование процесса оцифровки пространственных объектов // Весык ВДУ, 1999, №3. - С. 49-53.
SUMMARY
The problem of spatially complex objects videodiqitizing process optimization by criterion of its stability to change of initial factors is considered The statistical analysis of the results of an influence of the difficultly controlled factors ot a video shoot ig process as well as a slide display,ng on the parameters determining spatial position and the digitized surface sizes are given. The correlations of these factors and parameters are investigated The regression multifactorial models for chosen parameters of a videod gitizing are constructed and analysed.
Вестник У О ВПУ
121
