Алгоритм определения координат изображений точечных источников в движущейся стереоскопической системе на примере оптико-электронной системы контроля положения реперных меток

АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ИЗОБРАЖЕНИЙ ТОЧЕЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ДВИЖУЩЕЙСЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ НА ПРИМЕРЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПОЛОЖЕНИЯ

РЕПЕРНЫХ МЕТОК

Д.В. Жуков, А.В. Пантюшин, А.А. Усик Научный руководитель - к.н.т., с.н.с. А.Н. Тимофеев

В работе рассматривается алгоритм обработки изображений точечных источников в движущейся стереоскопической системе. Условия работы системы позволяют принять движение точечного источника прямолинейным. Работа алгоритма основана на определении траектории движения точечного источника и предполагает уменьшение влияния погрешностей базировки матричных фотоприемников и рассинхрони-зации их работы. Приводятся результаты ряда экспериментальных исследований.

Введение

В современной системе железнодорожного транспорта из-за постоянно увеличивающихся скоростей движения и повышения интенсивности перевозок все более ужесточаются требования к качеству обслуживания и ремонта, а также срокам его выполнения. Это приводит к постановке все более и более амбициозных задач перед разработчиками оборудования для обслуживания, ремонта и контроля параметров пути. Одним из приоритетных направлений деятельности разработчиков является повышение точности уже существующих приборов, построенных на классических схемах. Такая задача может быть решена за счет совершенствования алгоритмов обработки изображений. Примером такой системы может являться оптико-электронная система контроля положения реперных меток (далее ОЭСКПРМ), предназначенная для определения положения пути относительно системы опорных меток геодезической сети.

Основной задачей такой системы является пространственный контроль положения железнодорожного полотна, что необходимо для современных методик контроля, диффектоскопии, а также обслуживания железнодорожного пути.

Оптико-электронная система контроля положения реперных меток

ОЭСКПРМ (рис. 1) представляет собой активную оптико-электронную систему, в основе которой лежит схема внутрибазового дальномера. Разработанная схема предполагает работу непосредственно с активными марками, привязанными к абсолютной геодезической сети. ОЭСКПРМ состоит из двух матричных камер 2 и 4 на основе КМОП структур (используемое разрешение 1280x200) и датчика обнаружения меток 3. Датчик обнаружения представляет собой полупроводниковый лазерный диод и фотоприемник, объединенные в один корпус. В случае обнаружения фотоприемником сигнала с лазера датчик сообщает о появлении в поле зрения метки 5.

Марка представляет собой полупроводниковый излучающий диод 6 (далее ПИД) и отражатель, состоящий из массива трипельпризм малого светового диаметра. Марка устанавливается на опоры контактной сети и жестко связывается с реперными метками, привязанными к абсолютной геодезической сети. Привязка реперных меток может отсутствовать. В этом случае система будет измерять положения пути относительно опор контактной сети.

ОЭСКПРМ устанавливается на измерительную тележку путевой машины 1 (на рисунке представлено схематичное изображение измерительной тележки). Во время обследования пути машиной система обнаруживает реперную метку и производит измерение дистанции и вертикального смещения пути относительно реперной метки.

Рис. 1. Базовый блок оптико-электронной системы контроля положения реперных меток

При получении системой сигнала с датчика обнаружения меток происходит инициализация обоих камер. В ходе обработки снятых изображений определяется энергетический центр тяжести. Его координаты являются входным параметром для определения дистанции и вертикального смещения. Стоит отметить, что для определения дистанции до метки и смещения в вертикальной плоскости достаточно знать только координаты изображений в вертикальной плоскости системы.

При проектировании ОЭСКПРМ предполагалось проводить обработку изображений на основе гипотезы о том, что из-за высокой частоты съема кадров изображение ПИД марки при движении будет мало отличаться от соответствующего изображения в отсутствии движения. Однако динамические испытания в лабораторных условиях показали, что эта гипотеза не соответствует действительности. Характерные изображения диода марки (повернутые на 90° по часовой стрелке), снятые в движении с верхней камеры системы (а) и нижней камеры системы (б), приведены на рис. 2. Заметно, что изображения диода смазаны, а его след не параллелен краю кадра, кроме того, следы диода на разных камерах не параллельны между собой, что объясняется погрешностями базировки камер между собой, а также погрешностью установки базового блока на измерительной тележке путевой машины.

Смаз изображения ПИД не удается устранить в этой системе из-за применения в ней камер на основе КМОП структур, обладающих прогрессивной разверткой. Таким образом, уменьшение экспозиции не приводит к существенному изменению длины следа изображения ПИД, а только к уменьшению его ширины. Применение камер на основе ПЗС могло бы решить указанные трудности, однако из-за высокой стоимости таких камер их применение в этой системе экономически нецелесообразно.

Рис 2. Изображения марки с верхней (а) и нижней (б) камер

Очевидно, что углы наклона следов ПИД сохраняются для данной системы и данной базировки на измерительной тележке. Первоначально в системе использовался обычный алгоритм классического взвешенного суммирования, который обрабатывал произвольную часть следа. После этого в координаты изображения ПИД вносились дифференциальные поправки, зависящие от координаты V. Вследствие того, что снятие кадров происходит не синхронно и след изображения диода не параллелен краю кадра, в итоговый результат измерения вносится существенная ошибка. Все это приводит к высокой трудоемкости настройки системы, которую затруднительно провести в цеховых условиях предприятия, обслуживающего путевые машины, не говоря уже о полевых условиях. В таком случае существующий подход к определению координат точечных источников на кадре является неприемлемым.

Алгоритм определения координат

Для преодоления вышеописанных трудностей предлагается использовать более сложный алгоритм определения координат, основанный на определении траектории движения изображения ПИД по кадру. Необходимо также учитывать, что в ОЭСКПРМ применяются цветные матричные приемники с так называемым фильтром Байера, что искажает распределение освещенности на матрице. Для уменьшения влияния воздействия фильтра осуществляется коррекция, суть которой заключается в программном выравнивании спектральной чувствительности соответствующих каналов для длины волны излучения ПИД.

Траекторию движения ПИД в пространстве, а, следовательно, и его изображения можно считать прямолинейными. Найдем в каждой строке максимум и, если его значение не менее некоторого уровня от абсолютного максимума на матрице, произведем в его окрестности взвешенное суммирование, при этом будем учитывать только те элементы, значения которых в определенное количество раз больше среднего по изображению. В результате мы имеем множество значений положений максимумов по строкам, которые можно аппроксимировать прямой (и = bv + а) по методу наименьших квадратов с коэффициентами

а = и - bV;

7 иу - йУ Ь = •

2 -2 V - V

где и - множество значений положений максимумов по строкам, а V - номера строк содержащие соответствующие центры.

Рис. 3. Положение целой части центров тяжести по строкам

Описываемый алгоритм удовлетворительно работает только при достаточно протяженном следе диода. В случае относительно короткого следа (менее 10 строк) точно установить наклон следа не удается вследствие достаточно высоких уровней шумов. Однако такие ситуации редки. Для обработки таких ситуаций предлагается использовать информацию с уже обработанных кадров, в частности, брать угловой коэффициент, усредненный по нескольким последним кадрам. При этом для определения положения изображения диода на кадре использовать классический алгоритм взвешенного суммирования. Таким образом, зная угловой коэффициент и точку, принадлежащую прямой, можно получить уравнение самой прямой.

Получив, таким образом, уравнение траектории движения, мы можем предсказать значение V на любой строке кадра, что может быть эффективно использовано при устранении влияния рассинхронизации путем выбора строк, соответствующих одному моменту времени.

Описание стенда

Опробование алгоритма было произведено на стенде научно-производственной лаборатории кафедры оптико-электронных приборов и систем СПбГУ ИТМО. ОЭ-СКПРМ (рис. 4) 1 была установлена на оптической скамье 3, перпендикулярно которой на специальной направляющей 4 установлена метка 2. Предусмотрено вертикальное перемещение метки в пределах 250 мм. Направляющая обеспечивает перемещение метки относительно ОЭСКПРМ, имитирующее движение ОЭСКПРМ на тележке путевой машины относительно метки. Перемещение ОЭСКПРМ по оптической скамье позволяет задавать различные дистанции до метки в диапазоне от 1500 до 5000 мм.

На рис. 5 представлены экспериментально полученные значения СКО определения координат в зависимости от дистанции в середине диапазона смещений. Стоит заметить значительное (до 3 раз) улучшение результатов измерений для нижней камеры. Это связанно с тем, что положение следа по оси V на нижней камере имеет большой разброс. В таких условиях классический алгоритм дает существенную ошибку. Результаты, полученные для верхней камеры, не претерпели значительных изменений.

Рис. 4. Стенд для динамических испытаний

Рис. 5. Зависимость значения СКО от дистанции для верхней камеры (слева) и для нижней (справа). Сплошная линия - алгоритм, рассмотренный в статье; пунктирная

линия - классический алгоритм

Заключение

Описываемый в работе алгоритм позволяет устранить влияние рассинхронизации и зависимость точности измерений от наклона системы. Это позволяет уменьшить время установки и юстировки ОЭСКПРМ на путевой машине, а также снизить ошибку определения дистанции и смещения, вызванную погрешностями базировки системы.

Видно, что среднее значение СКО координат изображения ПИД лежит в пределах 0,3-0,6 пикселя и не превышает или сравнимо с таковым, полученным при помощи классического алгоритма. Стоит заметить, что рассмотренный в статье алгоритм позво-

ляет не только понизить СКО, но и уменьшить влияние рассинхронизации камер. Это даст дополнительный вклад в точность измерений смещения и дистанции.

В дальнейшем планируется проводить более детальную обработку изображений, а также исследовать возможности применения других алгоритмов аппроксимации, получаемых множеств энергетических центров масс.

Литература

1. Актуальные проблемы выправки и приемки пути после ремонта / А.Я. Коган, К.Б. Ершова, В.В. Петуховский и др. // Путь и путевое хозяйство. - 2007. - № 5. - С. 79.

2. Чуриловский В.Н. Теория оптических приборов. - М-Л.: Машиностроение,1966. -564 с.

3. Проектирование оптико-электронных приборов / Парвалюсов Ю.Б., Радионов С.А., Солдатов В. А. и др; Под ред. Якушенкова Ю.Г. - М.: Логос, 2004 - 488 с.

4. Форсайт Д., Понс Ж. Компьютерное зрение. Современный подход. : Пер. с англ. -М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. - 928 с. : ил.

5. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения // Известия вузов. Приборостроение. - 1986. - № 9. - С. 62-69.

6. Алеев А.М., Араканцев К.Г. Экспериментальная оценка систематических погрешностей измерения смещений внутрибазной оптико-электронной системой контроля положения железнодорожного пути // Труды пятой международной конференции молодых ученых и специалистов «Оптика-2007». Санкт-Петербург, 15-19 октября 2007, - СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. - С. 230-231.