Тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения
TEST PATTERN FOR CALIBRATION OF VIDEO SENSORS OF MULTISPECTRAL VISION SYSTEM

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. Карпиков, 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 тестового объекта 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 опорных точек.
Известен способ калибровки системы технического зрения из трех видеокамер и устройство для его реализации (патент RU №2382515, опубликовано 20.02.2010, МПК: H04N 5/232, G06K 9/32). В данном изобретении калибровку системы технического зрения осуществляют по калибровочному шаблону, в котором две камеры получают детализированное изображение, а третья является обзорной.
Основным недостатком калибровочного шаблона, применяемого в данном устройстве, является невозможность его использования для одновременной калибровки разноспектральных камер, поскольку высококонтрастное изображение шаблона обеспечивается только для телевизионных камер видимого диапазона длин волн.
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 опорных точек (углов клеток) и, как следствие, повышает погрешность оценивания параметров инфракрасной камеры.
Указанного недостатка лишен 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 в виде плиты 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 теплопроводящей пластины с полостями и большая толщина шаблона.
В качестве прототипа выбрано наиболее близкое по совокупности признаков 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, на одной из поверхностей которой формируют изображение типа «шахматная доска» с априорно известной длиной стороны клетки, посредством выемок, выполненных на плоскости пластины, в которые устанавливают квадраты из оптического стекла, не пропускающего инфракрасное излучение, имитирующие темные клетки.
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 выемок для размещения темных клеток.
Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в отсутствии простых в изготовлении и имеющих малое время готовности к работе универсальных шаблонов для одновременной калибровки камер и видимого, и инфракрасного диапазонов с получением высококонтрастного изображения.
Технический результат изобретения заключается в создании тестового шаблона для калибровки камер видимого и/или инфракрасного диапазонов, имеющего упрощенную конструкцию, малую толщину и малое время готовности к работе.
Технический результат достигается тем, что тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения содержит теплопроводящую пластину и электронагревательный элемент. На одной из сторон теплопроводящей пластины сформировано поле из чередующихся в шахматном порядке темных и светлых элементов. При этом он отличается от прототипа тем, что теплопроводящая пластина выполнена из светлого материала с высокой теплопроводностью. Причем темные элементы на поверхности теплопроводящей пластины выполнены из тонкой полимерной пленки темного цвета в виде правильных многоугольников определенного размера, углы которых являются опорными точками тестового шаблона. Электронагревательный элемент, установленный с внутренней стороны теплопроводящей пластины и соразмерный ей, содержит терморегулятор.
Темные элементы на поверхности светлой теплопроводящей пластины могут быть выполнены в виде одинаковых правильных многоугольников, например, квадратов, треугольников или шестиугольников. Размер многоугольника выбирается таким, чтобы при съемке тестового шаблона с дальности, соответствующей нижней границе глубины резко изображаемого пространства камеры, длина его стороны в пикселях составляла не менее 8-10% от ширины кадра. Для автоматической калибровки камеры количество многоугольников по горизонтали и вертикали должно быть различным.
При больших размерах тестового шаблона с внутренней стороны теплопроводящей пластины могут быть выполнены ребра жесткости.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1-7, где:
Фиг. 1 - общий вид тестового шаблона для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения;
Фиг. 2 - изображение тестового шаблона с телевизионной камеры;
Фиг. 3 - изображение тестового шаблона с тепловизионной камеры;
Фиг. 4 - инвертированный кадр с инфракрасной камеры;
Фиг. 5 - теплопроводящая пластина с элементами в виде квадратов;
Фиг. 6 - теплопроводящая пластина с элементами в виде треугольников;
Фиг. 7 - теплопроводящая пластина с элементами в виде шестиугольников;
На Фиг. 1 представлена конструкция тестового шаблона для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения, состоящего из следующих элементов:
1 - теплопроводящая пластина,
2 - электронагревательный элемент,
3 - полимерная пленка,
4 - терморегулятор,
5 - ребра жесткости.
Тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения включает теплопроводяшую пластину 1. На одной из сторон светлой теплопроводящей пластины 1, обладающей высокой теплопроводностью, изготавливаемой, например, из алюминия, закрепляют плоский электронагревательный элемент 2. На другой стороне теплопроводящей пластины 1 формируют поле из чередующихся в шахматном порядке темных и светлых элементов путем нанесения на светлую поверхность теплопроводящей пластины 1 элементов из тонкой полимерной пленки 3 темного цвета (например, самоклеящейся виниловой пленки Oracal) с априорно известными размерами. Для предотвращения деформации пленки 3 при перегреве перед электронагревательным элементом 2 устанавливают терморегулятор 4, обеспечивающий автоматическое отключение электронагревательного элемента 2 при достижении максимально допустимой температуры и его включение при снижении температуры тестового шаблона ниже минимальной температуры, при которой не обеспечивается необходимый для калибровки тепловой контраст.
Для обеспечения плоскостности шаблона больших размеров на его обратной стороне могут быть установлены ребра жесткости 5.
Темные элементы, выполненные из полимерной пленки, на кадре с инфракрасной камеры формируют изображения с высокой яркостью; не закрытые пленкой светлые элементы формируют изображения с низкой яркостью. Поэтому, чтобы изображения калибровочного шаблона с телевизионной (Фиг. 2) и тепловизионной (Фиг. 3) камер совпадали, перед калибровкой необходимо инвертировать кадр с инфракрасной камеры (Фиг. 4).
Использование темной полимерной пленки 3 на светлой поверхности подогреваемой теплопроводящей пластины 1 позволяет упростить конструкцию, обеспечить малую толщину шаблона и его быстрый прогрев при включении электронагревательного элемента 2.
Поле на поверхности теплопроводящей пластины 1 может быть сформировано из чередующихся в шахматном порядке темных и светлых многоугольников в виде правильных геометрических фигур, например, квадратов (Фиг. 5), треугольников (Фиг. 6) или шестиугольников (Фиг. 7). При этом углы темных многоугольников являются опорными точками тестового шаблона при калибровке видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения.
Тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения используют следующим образом.
Тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения подключают к источнику напряжения, питающего электронагревательный элемент 2. При повышении температуры электронагревательного элемента 2 осуществляется равномерный прогрев теплопроводящей пластины 1. При тепловом контрасте выше порогового (как правило, это значение равно 0,2) тестовый шаблон 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 тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения устанавливают перед несколькими камерами таким образом, чтобы его изображение целиком попадало в кадр каждой камеры.
Меняя положение тестового шаблона 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 (углов темных квадратов), которые затем используются в алгоритме калибровки.
В процессе калибровки осуществляют ввод значений параметров тестового калибровочного шаблона: размер клетки, количество клеток по горизонтали и вертикали. Получают изображения от видеокамер многоспектральной системы технического зрения при различных положениях тестового шаблона, обеспечивающего контрастное изображение, как в видимом, так и в инфракрасном диапазонах, и, если сенсор камеры имеет аналоговый выход, переводят в цифровую форму представления. Для съемки с различных ракурсов перемещают либо тестовый шаблон, либо конструктивно связанные камеры многоспектральной системы таким образом, чтобы тестовый шаблон располагался под различными углами относительно оптических осей камер и на различных удалениях от них, а его полное изображение наблюдалось как минимум одной парой камер. Рекомендуемое количество ракурсов - не менее 15. Для снижения ошибки оценивания коэффициентов дисторсии объективов при съемке шаблона желательно, чтобы его изображения на кадрах камер располагались в различных областях кадра, в том числе и вблизи границ. При этом используют шаблон с подогревом, чтобы обеспечить получение высококонтрастного изображения, наблюдаемого камерами и видимого, и инфракрасного диапазонов. При использовании цветных камер их кадры с изображениями тестового шаблона преобразуют в градации серого. Изображения с инфракрасных камер переводят в негативные: при использовании шаблона с темными многоугольниками его изображения инвертируют. Формирование негативного изображения с инфракрасной камеры обеспечивает схожесть кадров тестового шаблона, полученных разноспектральными камерами: камерами видимого и инфракрасного диапазона. Итеративно оценивают внутренние параметры камер по критерию минимума суммы квадратов ошибок репроекции: выполняют коррекцию дисторсии изображений калибровочного шаблона (на первой итерации используют значения коэффициентов дисторсии по умолчанию); находят опорные точки - углы темных клеток - на изображениях шаблона; оценивают пиксельные координаты опорных точек с субпиксельной точностью; для каждой камеры оценивают матрицы внутренних параметров и векторы коэффициентов дисторсии объективов, а также матрицы внешних параметров, определяющих взаимное пространственное положение систем координат каждой камеры и калибровочного шаблона.
Время готовности тестового шаблона 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. При этом тепловой контраст обеспечивается за счет размещения темных элементов из темной полимерной пленки 3 на светлой поверхности подогреваемой теплопроводящей пластины 1.
Таким образом, тестовый шаблон для калибровки видеодатчиков многоспектральной системы технического зрения имеет простую конструкцию, повышенную контрастность изображения, небольшую толщину и малое время готовности к работе. Предлагаемый тестовый шаблон является универсальным, так как может использоваться для одновременной калибровки камер как видимого, так и инфракрасного диапазонов.