Тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения
TEST-OBJECT FOR CALIBRATION OF VIDEO SENSORS OF MULTISPECTRAL SYSTEM OF TECHNICAL VISION

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для определения и приведения к заданным значениям параметров видеокамер, работающих в составе системы технического зрения, состоящей из нескольких разноспектральных видеодатчиков видимого и инфракрасного диапазонов длин волн с перекрывающимися полями зрения.
Из уровня техники известно устройство для калибровки инфракрасной (тепловизионной) камеры, в котором применяется калибровочный шаблон, представляющий собой щит, на котором через фиксированные расстояния в горизонтальном и вертикальном направлениях натянуты нити накаливания (Методика оценки дисторсии современных инфракрасных систем. В.П. Коваленко, Ю.Г. Веселов, И.В. Карликов, Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, серия «Приборостроение», 2011, №1, стр. 98-107). Расстояния между перекрестиями, сформированными пересечениями изображений нитей накаливания, и их координаты в плоскости калибровочного шаблона рассчитываются с помощью лазерного дальномера и теодолита.
Использование данного калибровочного шаблона для калибровки камер видимого диапазона ввиду малой толщины нитей накаливания приводит к низкому их контрасту на фоне щита при поиске перекрестий и, как следствие, ошибкам в вычислении координат особых точек.
Известен шаблон типа «шахматная доска» для калибровки телевизионной и/или инфракрасной видеокамер (заявка US 20090201376 А1 опубликовано 13.08.2009, МПК: H01N 17/00), в котором тепловой контраст для съемки шаблона тепловизионной камерой обеспечивается с помощью элементов Пельтье. Элементы, установленные за темными клетками, охлаждают шаблон; элементы, установленные за светлыми клетками - нагревают. В результате обеспечивается приблизительно одинаковое изображение шаблона на кадрах и телевизионной, и инфракрасной камер. Недостатком шаблона является отсутствие резких границ между клетками на изображении с тепловизионной камеры, поскольку из-за теплообмена не обеспечивается высокий тепловой контраст на границах нагревающего и охлаждающего элементов Пельтье. Это приводит к ошибкам оценивания пиксельных координат особых точек (углов клеток) и, как следствие, повышает погрешность оценивания параметров инфракрасной камеры.
Известно устройство для калибровки камер (патент CN 204287725, опубликовано 17.11.2014, МПК: G03B 43/00, G01J 5/52), представляющее собой светлую стеклянную пластину с подогревом, изготовленную из пропускающего инфракрасное излучение оптического стекла, с нанесенным на одну из ее сторон изображением типа «шахматная доска», в которой темные клетки выполнены из оптического стекла, не пропускающего инфракрасное излучение.
Недостатками прототипа являются большое время его прогрева перед калибровкой, связанное с низкой теплопроводностью стекла, а также сложность изготовления, связанная с выполнением в основной стеклянной пластине квадратных выемок для размещения темных клеток.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий по совокупности признаков шаблон для калибровки (патент CN 204695399, опубликовано 29.06.2015, МПК: G06T 7/00), состоящий из теплопроводящей пластины с нанесенным на одну из ее поверхностей изображением шахматного поля, нагревательного элемента и корпуса, в который помещаются теплопроводящая пластина и нагревательный элемент. После включения нагревательного элемента тепловой контраст обеспечивается за счет размещения за темными клетками шахматного поля полостей, заполненных газом или жидкостью с низкой теплопроводностью.
Недостатком такого шаблона является сложность изготовления тепло-проводящей пластины с полостями и большая толщина шаблона.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в отсутствии простых в изготовлении и имеющих малое время готовности к работе универсальных тест-объектов для одновременной калибровки камер и видимого, и инфракрасного диапазонов с получением высококонтрастного изображения.
Технический результат изобретения заключается в упрощении конструкции, повышении контрастности изображения тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения при малом времени готовности к работе.
Технический результат достигается тем, что тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения содержит теплопроводящую пластину и электронагревательный элемент, установленные в корпусе. Причем теплопроводящая пластина выполнена из светлого материала с высокой теплопроводностью. Корпус выполнен с возможностью нагнетания во внутреннюю полость воздуха посредством установленных на одной или нескольких его стенках приточных вентиляторов. При этом в теплопроводящей пластине и скрепленном с ней соразмерном электронагревательном элементе выполнены сквозные отверстия для выхода воздуха из внутренней полости корпуса. Отверстия расположены упорядоченно в рядах, через фиксированные расстояния, а их центры являются опорными точками тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения.
Сущность изобретения поясняется рисунком, на котором представлена конструкция тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения, состоящего из следующих элементов:
1 - теплопроводящая пластина,
2 - электронагревательный элемент,
3 - корпус,
4 - сквозные отверстия,
5 - приточный вентилятор.
Тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения содержит теплопроводящую пластину 1, изготовленную из материала, имеющего светлую поверхность и обладающего высокой теплопроводностью, например, из алюминия. Электронагревательный элемент 2 конструктивно выполнен, например, в виде плиты, соразмерной теплопроводящей пластине 1 и закрепленной на ее внутренней поверхности, что позволяет осуществлять равномерный прогрев всей поверхности теплопроводящей пластины 1. Теплопроводящую пластину 1 с закрепленным на ней электронагревательным элементом 2 размещают в корпусе 3, выполненном в виде прямоугольного параллелепипеда с внутренней полостью. При этом на всей поверхности теплопроводящей пластины 1 и электронагревательного элемента 2 выполнены сквозные отверстия 4, расположенные упорядочение в рядах через фиксированные расстояния. Сквозные отверстия 4 являются опорными точками тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения с априорно известными координатами На одной или нескольких поверхностях корпуса 3 установлены приточные вентиляторы 5, которые нагнетают воздух во внутреннюю полость корпуса 3. Воздух, нагнетаемый во внутреннюю полость корпуса 3, выходит из корпуса 3 через отверстия 4, проходящие сквозь скрепленные между собой теплопроводящую пластину 1 и электронагревательный элемент 2.
Воздух, выходящий из отверстий 4 в теплопроводящей пластине 1 и электронагревательном элементе 2 имеет меньшую температуру, чем поверхность нагреваемой теплопроводящей пластины 1. За счет этого обеспечивается тепловой контраст для инфракрасной камеры: пиксели, соответствующие изображению теплопроводящей пластины 1, будут иметь высокую яркость, а пиксели, соответствующие изображению отверстий 4, будут иметь низкую яркость.
Телевизионная камера будет формировать аналогичное изображение, поскольку поверхность теплопроводящей пластины 1 является светлой, а отверстия 4, выполненные в теплопроводящей пластине 1 и электронагревательном элементе 2 будут темными, так как освещенность внутри корпуса 3 близка к нулю.
Работа с тест-объектом для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения осуществляется следующим образом.
Тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения подключается к источнику напряжения, питающего электронагревательный элемент 2 и приточные вентиляторы 5. При повышении температуры электронагревательного элемента 2 осуществляется равномерный прогрев теплопроводящей пластины 1. При этом охлаждающий воздух, нагнетаемый во внутреннюю полость корпуса 3 приточными вентиляторами 5, установленными, например, на боковой поверхности корпуса 3, выходит через сквозные отверстия 4 в теплопроводящей пластине 1 и электронагревательном элементе 2, что позволяет увеличить тепловой контраст поверхности теплопроводящей пластины 1 и сквозных отверстий 4. При тепловом контрасте выше порогового (как правило, это значение равно 0,2) тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения устанавливают либо перед одной камерой, либо перед несколькими камерами. Если осуществляется калибровка для определения матрицы внутренних параметров и коэффициентов дисторсии объектива, то используется одна камера. При осуществлении калибровки с целью оценивания взаимного положения оптических осей и оптических центров многоспектральной системы технического зрения тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения устанавливают перед несколькими камерами таким образом, чтобы его изображение целиком попадало в кадр каждой камеры.
Меняя положение тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения таким образом, чтобы его изображение располагалось как в центральной части кадра, так и по его краям, сохраняют серию кадров. Далее в каждом из них выделяют пиксельные координаты опорных точек (центров сквозных отверстий 4), которые затем используются в алгоритме калибровки (Zhang Z. A Flexible New Technique for Camera Calibration // IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. - 2000. - Vol. 22, No. 11. - P. 1330-1334).
Время готовности тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения к работе после подключения к источнику напряжения составляет не более трех минут, так как теплопроводящая пластина 1 выполнена из алюминия, обладающего высокой теплопроводностью, а электронагревательный элемент 2 позволяет обеспечить высокую эффективность прогрева, так как выполнен в виде плиты, соразмерной поверхности теплопроводящей пластины 1, и закреплен на ее внутренней поверхности.
Таким образом, тест-объект для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения имеет простую конструкцию, повышенную контрастность изображения и малое время готовности к работе за счет того, что тепловой контраст тест-объекта для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения обеспечивается за счет прохождения охлаждающего воздуха через совокупность упорядоченных отверстий в нагретой теплопроводящей пластине, обладающей высокой теплопроводностью. Причем поверхность теплопроводящей пластины является светлой, а отверстия - темными. Предлагаемый тест-объект является универсальным, так как может использоваться для одновременной калибровки камер как видимого, так и инфракрасного диапазонов.