СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТОВ
METHOD OF DETERMINING THE COORDINATES OF OBJECTS

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к способам определения координат объектов, при которых устанавливают на высотном сооружении вращающуюся вокруг вертикальной оси видеокамеру, выполненную с возможностью изменения угла наклона, определяют координаты высотного сооружения, наводят видеокамеру на определяемый объект, определяют координаты объекта по углу наклона видеокамеры, высоте расположения видеокамеры и азимутальному углу видеокамеры и может быть использован при определении координат различных движущихся и неподвижных объектов, например лесных пожаров, при наблюдении с высотных сооружений.
В данном описании используются следующие термины:
высотное сооружение – здание, вышка, любое сооружение, высотой намного превосходящее высоту окружающих объектов, позволяющее производить наблюдение окружающего рельефа местности;
вертикаль – направление параллельное силе тяжести;
горизонталь – направление, перпендикулярное силе тяжести;
угол наклона – угол между осью поворота видеокамеры и вертикалью;
азимутальный угол видеокамеры – угол ориентации видеокамеры относительно направления на север;
модель срезов рельефа – графическое или цифровое представление топографической поверхности в виде растра или регулярной сети ячеек заданного размера;
база данных карт высот рельефа - база данных, содержащая данные о высотах точек земной поверхности, например, матрица высот SRTM (Shuttle radar topographic mission)– международная миссия по получению данных цифровой модели рельефа (ЦМР) территории Земли;
расчетная линия горизонта – линия горизонта, которая вычисляется по базе данных карт высот рельефа по известной высоте расположения видеокамеры.
Уровень техники.
Для определения координат различных объектов при наблюдении с высотных сооружений известны методы, которые основаны на том, что наводят видеокамеру на объект, а дальше рассчитывают его координаты, зная расстояние от видеокамеры (так как известна высота расположения видеокамеры и угол наклона, остаётся найти длину катета в прямоугольном треугольнике), а координаты видеокамеры и азимутальный угол известны.
Так из уровня техники известен способ определения координат объектов, при котором устанавливают на высотном сооружении вращающуюся вокруг вертикальной оси видеокамеру, выполненную с возможностью изменения угла наклона, определяют координаты высотного сооружения, наводят видеокамеру на определяемый объект, определяют координаты объекта по углу наклона видеокамеры, высоте расположения видеокамеры и азимутальному углу видеокамеры, см. описание к заявке на патент на изобретение № 2011139680, опубликовано 10.04.2013.
Данный способ является наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату и выбран за прототип предлагаемого изобретения.
Недостатком этого прототипа является невысокая точность определения координат объектов, который связан с тем, что теоретические расчеты верные при условии строго вертикального расположения видеокамеры. На практике есть всегда некоторое отклонение от вертикали, что приводит к тому, что настоящий угол наклона видеокамеры не известен, а известен только угол наклона от оси установки, которая сама может быть наклонена относительно перпендикуляра к земной поверхности. Разумеется, даже незначительное отклонение при установке видеокамеры дает значительную погрешность при определении координат объектов, так как они обычно находятся на удалении порядка десятков километров от точки расположения камеры, что приводит к значительной погрешности в определении координат.
Таким образом, проблемой, на решение которой направлено настоящее изобретение, является погрешность измерения координат объектов, существующая из-за невертикального расположения оси вращения видеокамеры.
Раскрытие изобретения.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить способ определения координат объектов, при котором устанавливают на высотном сооружении вращающуюся вокруг вертикальной оси видеокамеру, выполненную с возможностью изменения угла наклона, определяют координаты высотного сооружения, наводят видеокамеру на определяемый объект, определяют координаты объекта по углу наклона видеокамеры, высоте расположения видеокамеры и азимутальному углу видеокамеры, позволяющий, по меньшей мере, сгладить указанный выше недостаток, а именно обеспечить повышение точности определения координат объектов, что и является поставленной технический задачей.
Для достижения этой цели способ дополнительно содержит этапы, при которых выбирают радиус обзора местности, выбирают шаг поворота видеокамеры, строят модель срезов рельефа вокруг точки установки видеокамеры с заданным шагом по базе данных карт высот рельефа, определяют расчетную линию горизонта в каждом кадре, накладывают на изображение с видеокамеры линию, составленную из точек расчетной линии горизонта, определяют на изображении с видеокамеры линию, соответствующую реальной линии горизонта, определяют отклонение реальной линии горизонта от расчетной, записывают в базу данных поправочный угол к углу наклона камеры для расчета координат пересечения вектора, соответствующего линии взгляда видеокамеры  на рельеф местности.
Благодаря данным неочевидным характеристикам появляется возможность учета и компенсации любого отклонения от идеально расположенного вертикального направления реальной оси вращения видеокамеры. Неочевидность и сложность задачи заключается в том, что если бы видеокамера была установлена на водной поверхности, где отсутствует неровный рельеф, то вычислить поправку к углу наклона видеокамеры было бы просто.  Но реальность такова, что рельеф земной поверхности сложный, и видимая линия горизонта не является ровной линией. Именно для такого общая случая и предлагается вводить в расчеты учет срезов рельефа вокруг точки установки видеокамеры, который может быть загружен из заранее существующих баз данных или при их отсутствии построен специально.
Предлагаемый способ может компенсировать погрешности реального угла наклона вертикальной оси вращения видеокамеры даже в том случае, если она изменяется со временем.
Существует вариант предлагаемого способа, при котором рассчитывают поправку азимута поворота видеокамеры относительно направления на север путем сопоставления направления на видимый ориентир.
Благодаря данным неочевидным характеристикам появляется возможность дополнительной калибровки азимутального направления видеокамеры, что позволяет компенсировать погрешности неправильного расчета азимутального угла поворота видеокамеры.
Существует также вариант предлагаемого способа, при котором на изображении с видеокамеры определяют линию, соответствующую реальной линии горизонта с помощью оператора и ручного ввода точек, соответствующих реальной линии горизонта.
Благодаря данным неочевидным характеристикам появляется возможность точного указания реальной линии горизонта, когда вручную оператор ставит метки, соответствующие реальной линии горизонта, чем больше меток, тем точнее рассчитывается поправка.
Существует еще один вариант предлагаемого способа, при котором на изображении с видеокамеры определяют линию, соответствующую реальной линии горизонта с помощью автоматического распознавания на кадре реальной линии горизонта.
Благодаря данным неочевидным характеристикам появляется возможность автоматизации процесса вычисления поправки к углу наклона вертикальной оси видеокамеры.
Существует, кроме того, вариант предлагаемого способа, при котором на изображение с видеокамеры накладывают линию, составленную из точек расчетной линии горизонта, расположение которых пересчитывают из угловых координат в пиксельные.
Благодаря данным неочевидным характеристикам появляется возможность переноса линейных размеров на экране, вычисленных в пикселях в угловые реальные размеры, соответствующие геометрической модели.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения не известна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения как устройства. Также совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения не следует явным образом из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «изобретательский уровень» для изобретения.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг. 1 изображает схематический вид сбоку на расположение видеокамеры, направленной на объект, согласно уровню техники, показано направление силы тяжести,
- фиг. 2 изображает схематический вид сбоку на расположение видеокамеры, направленной на горизонт, показано неидеальное расположение оси вращения видеокамеры, согласно изобретению,
- фиг. 3 изображает схематический вид сверху на расположение видеокамеры, направленной на объект, показано нанесение на карту,
- фиг. 4 изображает вид на экране изображения с видеокамеры при ее калибровке азимутального угла,
- фиг. 5 изображает вид на экране изображения с видеокамеры при ее калибровке угла наклона согласно изобретению,
- фиг. 6 схематично изображает этапы способа определения координат объектов согласно изобретению.
На чертежах обозначено:
1 – видеокамера,
2 - высотное сооружение,
3 – определяемый объект,
4 – срез рельефа местности,
5 – вертикаль,
6 – направление окуляра видеокамеры на объект,
7 – ось вращения видеокамеры,
8 - направление окуляра видеокамеры на горизонт,
9 – видимый горизонт,
10 – линия расчетного горизонта,
11 – угол обзора камеры,
α – угол наклона видеокамеры,
β – поправка к углу наклона, угол между вертикалью и осью вращения видеокамеры,
g -  вектор силы тяжести.
В качестве видеокамеры может использоваться любая видеокамера типа Pan-tilt-zoom-камера (PTZ-камера) — то есть видеокамера, которая поддерживает удаленное управление направлением и зумом. Она должна иметь питание и блок передачи сигнала на удаленный сервер, где производится анализ информации, а также при необходимости вывод на экран.
Осуществление изобретения.
Способ определения координат объектов заключается в следующем.  Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения, имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.
Согласно фиг. 6:
Этап А1. Устанавливают видеокамеру 1 на высотное сооружение 2.
Этап А2. Определяют ее точные координаты и высоту подвеса. Координаты видеокамеры уточняют по нескольким источникам ортофотопланов – «Гугл»-карты, «Яндекс»-карты и т.д. Таким образом становится возможным привязать координаты установки видеокамеры – до метра.
Этап А3. Рассчитывают поправка азимута поворота видеокамеры относительно направления на север путем сопоставления направления на видимый ориентир, показан позицией 3 на фиг. 3, как водонапорная башня, (в общем это может быть  другая вышка сотового оператора связи, здание и прочее), координаты которой известны, или их можно определить по ортофотоплану, по которому уточнялись координаты видеокамеры. На фиг. 4 видно, что направление на водонапорную башню 3 в кадре и на карте совпадают, и в кадре и на карте азимут одинаковый – 42°.
Этап А4. Создают карту рельефа радиусом 45 км вокруг координат установки видеокамеры (если нет собственной, можно брать SRTM – общедоступную карта высот рельефа на весь мир).
Этап А5. Строят модель срезов рельефа вокруг видеокамеры с шагом 0,1° (что соответствует обычной погрешности механизма поворота видеокамеры) на всю глубину модели 45 км, т.е. это 3600 векторов, содержащих 500 высотных отметок каждый. Шаг между точками по срезу 90 м.
Этап А6. Зная рельеф вокруг видеокамеры, высоту подвеса камеры, и считая, что она стоит строго вертикально, получают расчетную линию горизонта (в каждом кадре пока камера поворачивается). Опорные точки линии горизонта рассчитывают как наиболее удаленные видимые точки рельефа.
Этап А7. На изображение с видеокамеры накладывают линию, составленную из точек расчетного горизонта, расположение которых пересчитано из угловых координат в пиксельные. На фиг. 5 – это линия 10 вдоль видимого горизонта. По картинке на фиг. 5 видно, насколько расчетная линия 10 отличается от реальной линии 9 в конкретном направлении.
Этап А8. Оператор на изображении на фиг. 5 с видеокамеры указывает точки реального 9, а не расчетного 10 видимого горизонта (10-12 реперных точек на 360° в разных азимутальных направлениях равномерно). Чем больше реперных точек, тем точнее расчет.
Этап А9. В базу данных записывают градусы  β - отклонения реального горизонта 9 от расчетного 10 в реперных точках, и производят интерполяционный расчет для всех остальных точек между реперными. Погрешность записывают в градусах, а не в пикселах, чтобы не зависеть от приближения – удаления (зума) видеокамеры, когда на один градус приходится разное количество пикселов. Полученные коэффициенты используют как поправочный угол β к углу наклона α камеры для расчета координат пересечения вектора, соответствующего линии "взгляда" видеокамеры 8 (формируемой путем проведения условной линии между центрами матрицы и линзы камеры) с рельефом в реальной работе.
Последовательность этапов является примерной и позволяет переставлять, убавлять, добавлять или производить некоторые операции одновременно без потери возможности производить определение координат объектов. Например, этап А8 может выполняться автоматически методами автоматического распознавания реальной линии горизонта на дисплее.
Промышленная применимость.
Предлагаемый способ определения координат объектов может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
В соответствии с предложенным изобретением произведены испытания опытного образца установки, реализующей способ определения координат объектов, состоящей из установленной на вышке видеокамеры, блока передачи данных на сервер, соединённым с компьютерным устройством, имеющим монитор.
Испытания системы показали, что она обеспечивает возможность:
- производить поправку азимута поворота видеокамеры относительно направления на север,
- строить модель срезов рельефа вокруг видеокамеры с шагом 0,1°,
- получать расчетную линию горизонта и выводить ее на дисплей,
- определять в пикселах расстояние между расчетной линией горизонта и реальной, и пересчитывать их в угловые поправки, соответствующие углу наклона оси вращения видеокамеры относительно вертикали,
- заносить в базу данных поправочные углы β, и их учитывать при расчетах координат объектов, видимых в видеокамеру.
Таким образом, за счет того, что выбирают радиус обзора местности, выбирают шаг поворота видеокамеры, строят модель срезов рельефа вокруг точки установки видеокамеры с заданным шагом по базе данных карт высот рельефа, определяют расчетную линию горизонта в каждом кадре, накладывают на изображение с видеокамеры линию, составленную из точек расчетной линии горизонта, определяют на изображении с видеокамеры линию, соответствующую реальной линии горизонта, определяют отклонение реальной линии горизонта от расчетной, записывают в базу данных поправочный угол к углу наклона камеры для расчета координат пересечения вектора, соответствующего линии взгляда видеокамеры  на рельеф местности, и достигается заявленный  технический результат, а именно: повышение точности определения координат объектов.