Программно-аппаратная реализация оптико-электронной стереосистемы определения дальности

Ю. Р. Носов. — М. : Энергоатомиздат, 1990. — 256 с. — ISBN 5-283-01523-8.

2. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси [и др.]. — Л. : Энергоатомиздат, 1990. - 256 с. - ISBN 5-283-02466-0 (СССР); ISBN 4-274-03123-3 (Япония).

3. Зак, Е. А. Волоконно-оптические преобразователи с внешней модуляцией / Е. А. Зак — М. : Энергоатомиздат, 1989. — 128 с. — ISBN 5-283-01502-5.

4. Теоретические основы проектирования амплитудных волоконно-оптических датчиков давления с открытым оптическим каналом / А. Г. Пивкин [и др.]. — М. : МГУЛ, 2004 — 246 с.

5. Бялик, А. Д. Амплитудные волоконно-оптические датчики как элементы систем управления и контроля в электроэнергетике / А. Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2008. — № 1. — С. 278 — 282.

6. Бялик, А. Д. Методика расчета функции преобразования амплитудных волоконно-оптических датчиков как элементов систем управления и контроля электроэнергитического оборудования / А. Д. Бялик // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. — 2008. — № 1. — С. 276 — 278.

7. Бялик, А. Д. Исследование основных параметров преобразовательных характеристик амплитудных волоконно-оптических датчиков давления рефлектометрического типа /

А. Д. Бялик // Омский научный вестник. — 2009. — № 3 (83). — С. 220 — 222.

8. Бялик, А. Д. Разработка и исследование амплитудных волоконно-оптических датчиков давления : дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 : защищена 23.12.2009 : утв. 09.04.2010 / А. Д. Бялик ; ОмГТУ. — Омск, 2009. — 169 с.

9. Гридчин, В. А. Физика микросистем / В. А. Гридчин, В. П. Драгунов // Физика микросистем : учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2004. — 416 с. — ISBN 5-7782-0446-9.

БЯЛИК Александр Давидович, кандидат технических наук, доцент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники.

ГРИДЧИН Виктор Алексеевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники. ЧЕБАНОВ Михаил Александрович, ассистент кафедры полупроводниковых приборов и микроэлектроники.

Адрес для переписки: bialik@ngs.ru

Статья поступила в редакцию 05.06.2013 г.

© А. Д. Бялик, В. А. Гридчин, М. А. Чебанов

УДК 535.015,514.88 А. В. ЗУБАРЬ

В. А. МАЙСТРЕНКО К. В. КАЙКОВ

Омский филиал Военной академии материально-технического обеспечения

Омский государственный технический университет

ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СТЕРЕОСИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Рассматривается подход измерения дальности до объекта на основе информации двух видеокамер, располагающихся на известном расстоянии друг от друга, визирные оси которых параллельны. Показано решение задачи определения дальности стереоскопическим оптико-электронным дальномером, изложена методика, и приведены результаты расчета ошибки определения дальности. Приведены экспериментальные данные.

Ключевые слова: определение дальности, стереоскопический способ, методика оценки точности, изображение, калибровка камеры.

На сегодняшний день оптико-электронные системы пространственного определения местоположения объектов наблюдения получают все больше распространение. Они применяются в специальной технике, используются для обнаружения и локализации искусственных объектов в воздушном, космическом и наземном пространстве для борьбы со стихийными бедствиями, в техническом зрении роботизированных систем и т.д. Оптико-электронные системы можно подразделить на системы, работающие в видимой, инфракрасной (ИК) и ультрафиоле-

товой (УФ) областях оптического излучения, а также многоспектральные системы. Системы видимого диапазона конструктивно просты и недороги. К этому классу относятся телевизионные и видеосистемы. Их работоспособность зависит от светотехнической обстановки.

В комплексе задачу определения координат объектов, находящихся на обширной территории, и их идентификацию можно решить на базе оптико-электронной стереосистемы, работающей по принципу человеческих глаз [1]. То есть удаление объекта от

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123 ) 2013

*

Таблица 1

Смещение изображения в стереоскопическом монокулярном дальномере

Э, м А1, мм

400 0,4

800 0,2

1000 0,16

2000 0,08

5000 0,032

Рис. 1. Геометрическая модель ОЭСД

системы, состоящей из двух разнесенных цифровых камер, работающих синхронно, определяется величиной смещения объекта на обоих изображениях.

В данной статье изложено решение задачи определения одного из параметров полярных координат объекта наблюдения — дальности до него.

В простейшем случае оптико-электронная стереосистема определения дальности (ОЭСД) состоит из двух идентичных видеокамер, размещенных таким образом, чтобы их оптические оси, располагаясь друг относительно друга на определенном расстоянии, всегда оставались параллельными в пространстве.

В случаем, если ОЭСД сориентирована так, что объект интереса находится на продолжении оптической оси одной из двух видеокамер, тогда луч от этого объекта пройдет через центр оптической оси объектива данной видеокамеры. Тогда как во второй видеокамере луч от объекта пройдет под углом к оптической оси ее объектива, а изображение получится смещенным в сторону на величину [2]:

А1

4

где А1 — величина смещения изображения;

f — фокусное расстояние объективов видеокамер;

В — расстояние между оптическими осями видеокамер — база стереосистемы;

Р — дальность до объекта интереса.

То есть величина смещения двух изображений А1 друг относительно друга определяется дистанцией Р до цели и конструктивными особенностями данного стереосистемы определения дальности: фокусным расстоянием f его объективов и величиной его базы В. Из формулы (1) следует, что смещение будет возрастать по мере уменьшения дистанции до объекта; оно будет мало для более удаленных и равно нулю для очень далеких объектов.

Величина смещения изображения чрезвычайно мала. Для стереоскопической системы дальноме-трирования с базой В =1 м и фокусным расстоянием объектива f =160 мм для различных дистанций Р величины смещения приведены в табл. 1 [2].

В то же время линейные размеры фоточувстви-тельных ячеек (пикселей) ПЗС и ПЗИ-матриц современных цифровых видеокамер достигают единиц микрометров, что в совокупности с увеличением используемых объективов, современными возможностями вычислительной техники и методов цифровой обработки изображений позволяет выполнить программно-аппаратную реализацию ОЭСД.

Так, в случае использования в качестве сенсоров высокого разрешения ПЗС дальность до объекта, учитывая выражение (1), может быть рассчитана как

£ = /

В

1рАп

где 1^ — линейный размер пикселя; Ап=Л1~ п2 — смещение изображений, выраженное в единицах пикселей.

На рис. 1 представлена геометрическая модель описываемой системы определения дальности. Для наглядности цифровые видеокамеры представлены в упрощенном виде, состоящих из линз с оптическими центрами в точках О1 и О2 и расположенных в плоскости и ПЗС ССР1 и ССР2, состоящих из девяти пикселей и расположенных в плоскости 02, которая в свою очередь отстоит от плоскости О1 на расстоянии, равном фокусному расстоянию линз f=

= f =f.

12

В действительности объектив — это сложная оптическая система, состоящая из нескольких, а иногда и десятков линз, имеющих просветляющее покрытие. Сложность конструкции объективов обусловлена необходимостью уменьшения поглощения светового потока, увеличения разрешающей способности, снижения аберраций, возможности изменения диафрагмы и т.п. С точки зрения физики, функционирует любой объектив как единая линза. ПЗС-матрицы современных цифровых фото- и видеокамер состоят из десятков тысяч и миллионов пикселей.

Как следует из выражения (2) и геометрической модели, представленной на рис. 1, для ОЭСД максимально возможная дистанция до объекта интереса, в пределах которой возможно определение смещения изображений, а за пределами которой все объекты будут наблюдаться как равноудаленные, может быть выражена как:

О

'г

а минимальная дальность будет определяться ситуацией, когда смещение изображений А1 будет превосходить горизонтальные размеры ПЗС CCDl и CCD2

В

ал

где N — разрешение матрицы по горизонтали.

Так, для ОЭСД с В = 0,5 м, /=100 мм, с ПЗС, имеющими разрешение №М, равное 2464* 1648, 1р =11,6 мкм, дальность действия будет составлять от 1,74 м до 4310 м. Таким образом, дальность действия практически очень велика, и будет определяться конфигурацией размера базы измерительной системы, фокусного расстояния объективов видеокамер и технических данных, используемых ПЗС.

Пусть на расстоянии D от линз в точке А находится объект, при этом его угловые размеры таковы, что изображение проецируемое через линзы на ПЗС CCD1 и CCD2 не превосходит размера одного пикселя 1 .

р

Как видно из рис. 2, поле зрения объективов соответствует сумме элементарных углов, которые при пересечении образуют четырехугольники. Таким образом, область действия, в пределах которой возможно определение дальности, представляет собой совокупность элементарных четырехугольников.

Пусть определено смещение изображения и рассчитана дальность до объекта в точке А, то такой же результат будет получен, если объект интереса будет находиться в точках А' и А''. То есть рассчитанная дальность D может не соответствовать действительному положению объекта в пространстве.

Согласно выражению (2) и рис. 2, дальность до объекта, находящегося в точке А', будет равна:

О =

/В

^рп1-0,5^)-(7рп2+0,5^)'

Аналогично дальность до объекта в точке А'1

о=7_____________^

[1рп1+0,51р)-{1рп2-0,51р)

Исходя из того, что смещение изображения выражается как произведение количества пикселей на его линейный размер, то, согласно методике определения погрешности [3], в качестве абсолютной погрешности принимается значение, равное половине последнего цифрового разряда индикатора, которому в нашем случае будет соответствовать линейный размер пикселя 1 [4]

АО = ±0,5

Подставляя в формулу (7) вместо D' и D,, выражения (5) и (6), выразив из формулы (2) Ап, проведя преобразования, получим:

АЛ = ±

И2-МГ

То есть величина ошибки определения дальности будет возрастать с увеличением дальности и размерами пикселей ПЗС и уменьшаться с увеличением базы дальномера и фокусного расстояния используемых объективов.

Результаты расчетов ошибки определения дальности по выражению (8) для ОЭСД, в котором используется ПЗС с 1р = 2 мкм, объективы с /=0,3 м, 0,6 м и 1 м, база В = 2 м представлены на рис. 3. Из представленных зависимостей можно сделать вывод о достаточно высокой точности дальнометри-рования описываемой системы, что делает ее применимой в достаточно широком спектре различных отраслей.

Проверка изложенных выше расчетов была осуществлена во время испытаний действующего макета ОЭСД (рис. 4), в котором была реализована последовательность обработки изображений, представленная на рис. 5.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013

Рис. 5. Структура программно-аппаратного обеспечения оптико-электронной стереосистемы определения дальности

Таблица 2

Результаты испытаний макета

Дальность, м

Лазерный дальномер, м 3,01 4,05 4,99 6,0 7,08 8,11 10,0 11,98 15

Стереоскопический дальномер 2,95 3,98 5,09 6,15 6,91 7,91 10,25 12,27 15,31

Теоритическая ошибка согласно выражению (8), м ±0,03 ±0,04 ±0,06 ±0,08 ±0,1 ±0,12 ±0,14 ±0,16 ±0,19

Экспериментальная ошибка, м 0,06 0,07 0,10 0,15 0,17 0,20 0,25 0,29 0,31

На рис. 6 представлен интерфейс программы определения дальности. Из рисунке видно, что объект измерения (светильник потолочный), выделенный прямоугольниками, на изображении первой камеры находится в центре, а на изображении второй камеры смещен в сторону на величину линейного параллакса, что соответствует вышеизложенной теории работы ОЭСД. В левой верхней части изображения, выводимого на монитор, виден номер камеры, с которой поступает данное изображение, и вычисленная дальность до объекта интереса.

В макете были использованы цифровые камеры Microsoft Life Came Studio со следующими техническими данными:

— фокусное расстояние объектива, мм — 5;

— диагональ ПЗСЗС (NxM) — 1920x1080;

— размер ПЗС, мм — 4,8x3,6;

— размер пикселя, мкм — 2,5x3,3.

Перед проведением испытаний разработанного макета проводилась калибровка камер, с целью параллельного размещения оптических осей объективов камер. Методика калибровки поясняется рис. 7.

Сущность идеи калибровки заключается в следующем. Если камеры ОЭСД установлены так, что их оптические оси находятся в одной плоскости и параллельны и известна с достаточной степенью точности дальность до объекта интереса, то заранее можно рассчитать смещение изображений как по вертикали так и по горизонтали с помощью формулы (2). Так, на рис. 7 (а) рассчитанному значению смещения изображения соответствует Ап' на ПЗС CCD2, равная разности действительно определенного положения изображения объекта п"2 и рассчитанного значения n2. После вычисления необходимого смещения изображения на изображение камеры № 2 накладывается оверлейный маркер, соответствующий положению изображения объекта интереса, если бы измерительная система была откалибрована, как показано на рис. 7б — положение маркера А'2. Сам процесс калибровки заключается в ориентации второй камеры до устранения углов рассогласования видеокамер по горизонту в и вертикали а.

Расстояния от системы до объекта интереса были замерены с помощью лазерного дальномера Bosch GLM 250, имеющего следующие характеристики:

— диапазон измерений — 0,05 — 250 м;

— точность измерения (типичная) — ±1,0 мм;

— наименьшее отображаемое значение — 0,1 мм.

В табл. 2 приведены результаты замеров расстояний до объектов в начале с помощью лазерного дальномера, затем — макета ОЭСД.

Из таблицы видно, что полученный результат лежит в пределах расчетных значений. Так как ошибка определения дальности ОЭСД, согласно вышеиз-

ложенной методике, носит дискретный характер, определяемый способом разбиения пространства на число пикселей, то, следовательно, полученные значения экспериментальных ошибок меньшие, чем теоретическая ошибка.

Дальнейшим направлением работы по выбранной тематике может быть решение задачи использования в качестве цифровых видеокамер теплови-зионных приборов, что, в свою очередь, обеспечит всесуточность и всепогодность работы ОЭСД, а также проведение исследований с дальнейшей реализацией их результатов по обеспечению необходимой точности определения дальности при использовании короткофокусных объективов, а также совершенствование программного обеспечения в части повышения быстродействия, расширения функциональных возможностей и снижения зависимости от контраста объекта.

Библиографический список

1. Старовойтов, Е. Современные технические средства пассивной оптической локации / Е. Старовойтов // Современная электроника. — 2011. — № 2. — С. 40 — 43.

2. Коротаев, В. В. Телевизионные измерительные системы : учеб. пособие / В. В. Коротаев, А. В. Краснящих. — СПб. : СПбГУ ИТМО, 2008. - С. 43-45.

3. Савчук, В. П. Обработка результатов измерений. Физическая лаборатория : учеб. пособие для студентов вузов. Ч. 1 /

В. П. Савчук. — Одесса : ОНПУ, 2002. — 54 с.

4. Зубарь, А. В. Оценка точности определения дальности оптико-электронным стереоскопическим дальномером / А. В. Зубарь, В. П. Пивоваров // Вестник академии военных наук. Спецвыпуск № 3 (40). — М. : Военное издательство МО РФ, 2012. — С. 125— 129.

ЗУБАРЬ Алексей Владимирович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Электрооборудование и автоматика» Омского филиала Военной академии материально-технического обеспечения.

МАЙСТРЕНКО Василий Андреевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Средства связи и информационная безопасность» Омского государственного технического университета.

КАИКОВ Кирилл Владимирович, преподаватель кафедры «Электрооборудование и автоматика» Омского филиала Военной академии материально-технического обеспечения.

Адрес для переписки: alexey_zubar@mail.ru

Статья поступила в редакцию 05.07.2013 г.

© А. В. Зубарь, В. А. Майстренко, К. В. Кайков

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 3 (123) 2013 РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ