СИСТЕМА И СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ И КАЛИБРОВКИ УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ

1. Реализуемый в компьютере способ моделирования устройства формирования изображения для использования при калибровке и коррекции изображений, содержащий этапы, на которых:
определяют первую трехмерную ортогональную систему координат, имеющую начало координат, расположенное в точке фокусирования устройства формирования изображения, причем первая ось первой системы координат проходит вдоль направления линии визирования устройства формирования изображения;
определяют вторую трехмерную ортогональную систему координат, имеющую начало координат, расположенное на единичном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось второй системы координат проходит вдоль направления линии визирования, вторая и третья ось второй системы координат по существу параллельны соответственно второй и третьей осям первой системы координат, тем самым вторая и третья оси второй системы координат задают плоскость истинного масштаба, перпендикулярную линии визирования;
определяют третью трехмерную систему координат, имеющую начало координат, расположенное на фокусном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось третьей системы координат проходит вдоль направления линии визирования, а вторая и третья оси третьей системы координат наклонены соответственно под первым и вторым углом относительно ориентации второй и третьей оси второй системы координат, тем самым вторая и третья оси третьей системы координат задают неперпендикулярность плоскости изображения относительно линии визирования;
принимают набор трехмерных координат, связанных с точкой реального трехмерного объекта, снятого устройством формирования изображения;
вычисляют проекцию точки на плоскость истинного масштаба, тем самым получая первый набор плоских координат, и на плоскость изображения, тем самым получая второй набор плоских координат; и
выводят второй набор плоских координат, указывающих местоположение точки изображения, соответствующей точке трехмерного объекта.
2. Способ по п. 1, в котором вторая система координат задана так, что плоскость истинного масштаба устанавливает вход в систему объектива устройства формирования изображения, а проекция на плоскость истинного масштаба выражает выход из внешней модели устройства формирования изображения, а третья система координат задана так, что плоскость изображения устанавливает выход для системы объектива, а проекция на плоскость изображения выражает выход из внутренней модели устройства формирования изображения.
3. Способ по п. 1, в котором принятый набор трехмерных координат представляет собой , и проекция точки трехмерного объекта на плоскость истинного масштаба рассчитывается по формуле:
1
где знак ≈ представляет собой эквивалентный оператор масштабирования, a P задает операцию проецирования на плоскость истинного масштаба относительно первой системы координат.
4. Способ по п. 3, в котором проекция точки трехмерного объекта на плоскость изображения рассчитывается по формуле:
,
где  задает операцию проецирования на плоскость изображения,  - фокусное расстояние, α - первый угол, β - второй угол, R (х, α) - матрица поворота на угол α относительно оси х плоскости изображения, причем ось х задана по существу параллельной второй оси второй системы координат перед выполнением поворота на угол α, R (y, β) - матрица поворота на угол β относительно оси y плоскости изображения, причем ось y задана по существу параллельной третьей оси второй системы координат перед выполнением поворота на угол β, поворот на угол α рассчитывают в самом правом положении, так что поворот на угол β выполняют относительно оси х, повернутой на угол α, и где
11
h=cosβ,
h12=sinβsinα,
h13=sinβcosα,
h22=cosα,
h23=-sinα,
h31=-sinβ,
h32=cosβsinα, и
h33=cosβcosα.
5. Способ по n. 4, дополнительно содержащий этап, на котором определяют гомографию Н между плоскостью истинного масштаба и плоскостью изображения по формуле:
31
32
, где h и h - ненулевые элементы, применяющие коррекцию перспективы для масштабов х и y в плоскости изображения, и второй набор плоских координат (хʺ, yʺ) представляет собой гомографическое преобразование искаженного положения (х', y') изображения точки на плоскости истинного масштаба, причем гомографическое преобразование выражается следующей формулой:
где
w=-sinβх'+cosβsinαy'+cosβcosα,
X
хʺ=u/w+С, и
Y
X
Y
yʺ=v/w+C, где (C, C) представляет положение начала третьей системы координат.
6. Способ по п. 5, в котором гомография Н определена формулой:
,
где аппроксимация cosθ~1 и sinθ~θ используется для малых углов α и β.
7. Способ по п. 1, дополнительно содержащий этап, на котором компенсируют искажение объектива устройства формирования изображения в плоскости истинного масштаба, причем компенсация содержит этап, на котором: применяют модель искажения объектива, задаваемую формулой:
1
2
3
5
r'=r+kr+kr+…,
2
2
2
1
2
где первый набор плоских координат содержит положение (х, y) без искажений для изображения точки на плоскости истинного масштаба, выраженной в полярных координатах (r, θ), где r=х+y и tgθ=y/х, (х', y') представляет искаженное положение (х, y) на выходе объектива перед проекцией точки на плоскость изображения, r' представляет собой искаженное радиальное расстояние, рассчитанное на основе (х', y'), a k и k представляют собой параметры геометрических искажений объектива.
8. Система для моделирования устройства формирования изображения для использования при калибровке и коррекции изображения, содержащая:
запоминающее устройство;
процессор; и
по меньшей мере одно приложение, хранящееся в запоминающем устройстве и исполняемое процессором для
определения первой трехмерной ортогональной системы координат, имеющей начало координат, расположенное в точке фокусирования устройства формирования изображения, причем первая ось первой системы координат проходит вдоль направления линии визирования устройства формирования изображения;
определения второй трехмерной ортогональной системы координат, имеющей начало координат, расположенное на единичном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось второй системы координат проходит вдоль направления линии визирования, вторая и третья оси второй системы координат по существу параллельны соответственно второй и третьей оси первой системы координат, тем самым вторая и третья оси второй системы координат задают плоскость истинного масштаба, перпендикулярную линии визирования;
определения третьей трехмерной системы координат, имеющей начало координат, расположенное на фокусном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось третьей системы координат проходит вдоль направления линии визирования, вторая и третья оси третьей системы координат наклонены соответственно под первым и вторым углом относительно ориентации второй и третьей оси второй системы координат, тем самым вторую и третью оси третьей системы координат задают неперпендикулярность плоскости изображения относительно линии визирования;
приема набора трехмерных координат, связанных с точкой реального трехмерного объекта, снятого устройством формирования изображения;
вычисления проекции точки на плоскость истинного масштаба, тем самым получая первый набор плоских координат, и на плоскость изображения, тем самым получая второй набор плоских координат; и
вывода второго набора плоских координат, указывающих местоположение точки изображения, соответствующее точке трехмерного объекта.
9. Система по п. 8, в которой указанное по меньшей мере одно приложение выполнено с возможностью выполнения процессором для определения второй системы координат так, что плоскость истинного масштаба устанавливает вход в систему объектива устройства формирования изображения, а проекция на плоскость истинного масштаба выражает выход из внешней модели устройства формирования изображения, и определения третьей системы координат так, что плоскость изображения устанавливает выход для системы объектива, а проекция на плоскость формирования изображения выражает выход из внутренней модели устройства формирования изображения.
10. Система по п. 8, в которой указанное по меньшей мере одно приложение выполнено с возможностью выполнения процессором для приема набора трехмерных координат в виде  и расчета проекции точки трехмерного объекта на плоскость истинного масштаба по формуле:
1
где ≈ представляет собой эквивалентный оператор масштабирования, и P задает операцию проецирования на плоскость истинного масштаба относительно первой системы координат.
11. Система по п. 10, в которой указанное по меньшей мере одно приложение выполнено с возможностью выполнения процессором для расчета проекции точки трехмерного объекта на плоскость формирования изображения по формуле:
,
где  определяет операцию проецирования на плоскость изображения,  - фокусное расстояние, α - первый угол, β - второй угол, R (х, α) - матрица поворота на угол α относительно оси х плоскости изображения, причем ось х определена как по существу параллельная второй оси второй системы координат перед выполнением поворота на угол α, R (y, β) - матрица поворота на угол β относительно оси y плоскости изображения, причем ось y определена как по существу параллельная третьей оси второй системы координат перед выполнением поворота на угол β, поворот на угол α рассчитан в крайнем правом положении, так что поворот на угол β выполняется относительно оси х, повернутой на угол α, и где
h11=cosβ,
h12=sinβsinα,
h13=sinβcosα,
h22=cosα,
h23=-sinα,
h31=-sinβ,
h32=cosβsinα, и
h33=cosβcosα.
12. Система по n. 11, в которой указанное по меньшей мере одно приложение выполнено с возможностью выполнения процессором для определения гомографии Н между плоскостью истинного масштаба и плоскостью изображения по формуле:
, где h31 и h32 представляют собой ненулевые элементы,
применяющие коррекцию перспективы для масштабов х и y в плоскости изображения, а второй набор плоских координат (хʺ, yʺ) представляют собой гомографическое преобразование искаженного положения (х', y') изображения точки плоскости истинного масштаба, причем гомографическое преобразование выражено следующей формулой:
9
где
w=-sinβх'+cosβsinαy'+cosβcosα,
X
хʺ=u/w+C, и
Y
X
Y
yʺ=v/w+C, где (C, C) - положение начала координат для третьей системы координат.
13. Система по п. 12, в которой указанное по меньшей мере одно приложение исполняется процессором для определения гомографии Н по формуле:
,
где аппроксимация cosθ~1 и sinθ~θ используется для малых углов α и β.
14. Система по п. 1, в которой указанное по меньшей мере одно приложение выполнено с возможностью выполнения процессором для компенсации искажений объектива устройства формирования изображения в плоскости истинного масштаба, при этом компенсация содержит применение модели искажений объектива, определяемой формулой:
1
2
3
5
r'=r+kr+kr+…,
2
2
2
1
2
где первый набор плоских координат содержит неискаженное положение (х, y) изображения точки на плоскости истинного масштаба, которое выражено в полярных координатах (r, θ), при r=х+y, и tgθ=y/х, (х', y') - искаженное положение (х, y) на выходе объектива перед проекцией точки на плоскость изображения, r' - искаженное радиальное расстояние, рассчитанное на основе (х', y'), а k и k - параметры геометрического искажения объектива.
15. Система по п. 8, в которой устройство формирования изображения содержит одно устройство из камеры с объективом с переменным фокусным расстоянием, устройства формирования изображения в близком инфракрасном свете, устройства формирования изображения в коротковолновом инфракрасном свете, устройства
формирования изображения в длинноволновом инфракрасном свете, радарного устройства, устройства детектирования и ранжирования света, формирователя изображения в виде телескопа с параболическим зеркалом, хирургической эндоскопической камеры, устройства сканирования для компьютерной томографии, спутникового устройства формирования изображения, сонарного устройства и многоспектральной системы с множеством различных датчиков.
16. Считываемый компьютером носитель информации, на котором содержится программный код, исполняемый процессором, для моделирования устройства формирования изображения для использования при калибровке и коррекции изображения, причем программный код исполняется для:
определения первой трехмерной ортогональной системы координат, имеющей начало координат, расположенное в точке фокусирования устройства формирования изображения, причем первая ось первой системы координат проходит вдоль направления линии визирования устройства формирования изображения;
определения второй трехмерной ортогональной системы координат, имеющей начало координат, расположенное на единичном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось второй системы координат проходит вдоль направления линии визирования, а вторая и третья оси второй системы координат по существу параллельны соответственно второй и третьей осям первой системы координат, тем самым вторая и третья оси второй системы координат задают плоскость истинного масштаба, перпендикулярную линии визирования;
определения третьей трехмерной системы координат, имеющей начало координат, расположенное на фокусном расстоянии от точки фокусирования, причем первая ось третьей системы координат проходит вдоль направления линии визирования, вторая и третья оси третьей системы координат наклонены соответственно на первый и второй угол относительно ориентации второй и третьей осей второй системы координат, тем самым вторая и третья оси третьей системы координат образуют неперпендикулярность плоскости изображения относительно линии визирования;
приема набора трехмерных координат, связанных с точкой трехмерного объекта реального мира, снятого устройством формирования изображения;
вычисления проекции точки на плоскость истинного масштаба, тем самым получая первый набор плоских координат, и на плоскость изображения, тем самым получая второй набор плоских координат; и
вывода второго набора плоских координат, указывающих местоположение точки изображения, соответствующей точке трехмерного объекта.