Способ панорамного обзора пространства оптико-электронной системой
METHOD FOR PANORAMIC SCANNING OF SPACE WITH AN OPTOELECTRONIC SYSTEM

Изобретение относится к области оптико-электронных систем (ОЭС) и может быть использовано для панорамного обзора пространства при наблюдении с высоким угловым разрешением объектов, характеризующихся значительной линейной протяженностью, типа взлетно-посадочные полосы, автомобильные трассы, участки границ и т.д.
Известен способ обзора пространства ОЭС, заключающийся в просмотре протяженного по углу изображения путем механического сканирования одного приемника излучения [1].
Недостатком такого способа обзора пространства ОЭС являются существенные временные затраты при обзоре пространства и постоянство углового разрешения в азимутальной плоскости.
Известен способ панорамного обзора пространства ОЭС, заключающийся в формировании составного поля зрения с помощью симметрично расположенных относительно центра поля зрения оптико-электронной системы трех слева и трех справа идентичных макрооптических видеокамер с многоэлементными приемниками излучения с постоянными углами разрешения в азимутальной плоскости (рисунок 1) [2].
Недостатком данного панорамного способа обзора пространства ОЭС является то, что постоянство углового разрешения в азимутальной плоскости приводит при наблюдении линейно-протяженных объектов к избыточности пространственного разрешения в центре и к недостатку разрешения на краях зоны обзора, поскольку дальность до краев зоны в несколько раз превышает дальность до центра. Так, например, при наблюдении взлетно-посадочной полосы ОЭС, находящейся в контрольной точке аэродрома, дальность до торцов полосы превышает дальность до центра полосы в 5-7 раз. Это существенно затрудняет формирование единого панорамного изображения и дешифрирование его оператором.
Цель изобретения - формирование панорамы с монотонным и безразрывным изменением масштаба изображения по всему полю зрения оптико-электронной системы, характеризующейся повышенным угловым разрешением на краях зоны обзора пространства и пониженным разрешением в центре зоны обзора пространства.
Для достижения цели в способе панорамного обзора пространства оптико-электронной системой, заключающимся в формировании составного поля зрения с помощью симметрично расположенных относительно центра поля зрения оптико-электронной системы трех слева и трех справа идентичных макрооптических видеокамер с многоэлементными приемниками излучения, дополнительно учитывается, что видеокамеры имеют различные увеличения, причем, максимальное увеличение имеют видеокамеры, ориентированные на удаленные участки зоны обзора пространства, а минимальное -видеокамеры, ориентированные на центр зоны обзора пространства, устранение различий масштабов изображения на стыках смежных видеокамер осуществляется координатно зависимым цифровым масштабированием, выравнивающим увеличение изображения вдоль линии сшивки для трех видеокамер, расположенных слева и трех видеокамер, расположенных справа относительно центра поля зрения оптико-электронной системы, для чего изменение масштаба видеокамер, расположенных слева и справа, задается 4 точками кубической параболы вида
где
j
коэффициенты S определяются при решении системы линейных уравнений, имеющей в матричной форме вид X*S=Y;
- номер точки параболы;
координаты 4 точек параболы для видеокамер, расположенных слева и справа, задаются в виде
i
N - количество пикселей в i-ом,, сегментированном изображении;
отношение углов поля зрения видеокамер задается в виде
1
2
3
ϕ, ϕи ϕ - угол поля зрения соответственно первой, второй и третьей видеокамер, расположенных симметрично слева и справа относительно центра поля зрения оптико-электронной системы,
вычисляют значения кривой в соответствии с выражением
вычисляют координаты пикселей трансформированного изображения, которым соответствуют пиксели исходного изображения с координатами i, j в соответствии с выражениями
где
1
2
3
res, resи res - индексы, характеризующие отнесение переменной к результирующим изображениям первой, второй и третьей камеры соответственно;
М - количество элементов приемника излучения по вертикали, вычисляют размеры результирующих изображений для панорамы как
где
- номер видеокамеры. Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются следующие.
1. Видеокамеры, расположенные по три слева и справа относительно центра поля зрения оптико-электронной системы, имеют различные увеличения, причем максимальное увеличение имеют видеокамеры, ориентированные на удаленные участки зоны обзора, а минимальное - видеокамеры, ориентированные на центр зоны обзора
2. Устранение различий масштабов изображения на стыках смежных видеокамер осуществляется координатно зависимым цифровым масштабированием, выравнивающим увеличение изображения вдоль линии сшивки для трех видеокамер, расположенных слева и трех видеокамер, расположенных справа относительно центра поля зрения оптико-электронной системы, для чего изменение масштаба видеокамер, расположенных слева и справа, задается 4 точками кубической параболы вида (1) с учетом выражений (2) и (3).
i
3. Вычисление значений у кривой в соответствии с выражением (4).
4. Вычисление координат пикселей трансформированного изображения, которым соответствуют пиксели исходного изображения с координатами i, j в соответствии с выражениями (5).
5. Вычисление размеров результирующих изображений для панорамы в соответствии с выражениями (6) и (7).
Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.
Применение всех новых признаков позволит сформировать панораму с монотонным и безразрывным изменением масштаба изображения по всему полю, характеризующейся повышенным угловым разрешением на краях и пониженным разрешением в центре. Подобная панорама обеспечивает возможность существенного выравнивания величины пространственного разрешения на всех участках линейно-протяженного объекта наблюдения, что в свою очередь позволяет с высокой эффективностью наблюдать протяженный объект, как в ближней, так и в дальней зоне.
На рисунке 1 приведено формирование составного поля зрения с помощью симметрично расположенных относительно центра поля зрения ОЭС трех слева и трех справа идентичных макрооптических видеокамер с многоэлементными приемниками излучения и с постоянными углами разрешения в азимутальной плоскости (прототип), на рисунке 2 - формирование составного поля зрения с помощью симметрично расположенных относительно центра поля зрения ОЭС трех слева и трех справа идентичных макрооптических видеокамер с многоэлементными приемниками излучения с различными углами разрешения в азимутальной плоскости, на рисунке 3 - блок-схема, поясняющая устранение различий масштабов изображения на стыках смежных видеокамер с помощью координатно зависимого масштабирования, на рисунке 4 - пример трансформации масштаба изображения от трех камер, находящихся справа от центра поля зрения ОЭС, обеспечивающая монотонное изменение масштаба от центра к краю поля зрения, на рисунке 5 - пример изображения с трех камер ОЭС до трансформации, соответствующего графику, приведенному на рисунке 4А, на рисунке 6 - пример изображения с трех камер ОЭС после трансформации, соответствующего графику, приведенному на рисунке 4Б, на рисунке 7 - результат сшивки изображений от 6 камер, характеризующихся различным оптическим увеличением (угловое разрешение панорамы возрастает от центра к краям в 3 раза, для иллюстрации процесса сшивки, верхний и нижний края панорамы не обрезаны).
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
Формируется составное поле зрения (рисунок 2) с помощью симметрично расположенных относительно центра поля зрения ОЭС трех слева и трех справа идентичных макрооптических видеокамер с многоэлементными приемниками излучения и различными увеличениями, причем, максимальное увеличение имеют видеокамеры, ориентированные на удаленные участки зоны обзора пространства, а минимальное - видеокамеры, ориентированные на центр зоны обзора пространства. Зависимость увеличения (масштаба изображения камер) от угла между центром поля зрения ОЭС и произвольным направлением в азимутальной плоскости, до предобработки имеет ступенчатый вид (рисунок 4А). Однако полученное составное изображение от трех правых или трех левых камер имеет неудовлетворительный вид из-за большого шага ступеней (рисунок 5). Для устранения данного недостатка используется монотонное и безразрывное изменение масштаба изображения по всему полю зрения ОЭС, которое, как для трех правых камер, так и левых камер аппроксимируется кривой третьего порядка (рисунок 4Б).
1
2
3
Устранение различий масштабов изображения на стыках смежных видеокамер осуществляется координатно зависимым цифровым масштабированием, выравнивающим увеличение изображения вдоль линии сшивки для трех видеокамер, расположенных слева и трех видеокамер, расположенных справа относительно центра поля зрения ОЭС с помощью (рисунок 3) первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4, пятого 5 вычислителей и блока 6 памяти, в котором хранятся значения количества пикселей в i-ом,  сегментированном изображении, углы ϕ, ϕ и ϕ поля зрения соответственно первой, второй и третьей видеокамер, расположенных симметрично слева и справа относительно центра поля зрения ОЭС и количество М элементов приемника излучения по вертикали.
i
1
2
3
i
j
j
j
i
В первом вычислителе 1 по значениям Nи ϕ, ϕ, ϕ, поступающим с соответствующих выходов блока 6 памяти, в соответствии с выражениями (2) и (3) вычисляются координаты 4 точек кубической параболы вида (1) для видеокамер, расположенных слева и справа относительно центра поля зрения ОЭС. На основе вычисленных в первом вычислителе 1 координат 4 точек параболы во втором вычислителе 2 с учетом значений N, поступающих на его вход с выхода блока 6 памяти, осуществляется вычисление коэффициентов S (путем решения системы линейных уравнений, имеющей в матричной форме вид X*S=Y), которые используются в третьем вычислителе 3 для вычисления значений у кривой в соответствии с выражением (4). Вычисленные значения y поступают на вход четвертого вычислителя 4, куда с выхода блока 6 памяти поступают значения N и М.
По значениям этих величин в четвертом вычислителе 4 в соответствии с выражениями (5) вычисляются координаты пикселей трансформированного изображения, которым соответствуют пиксели исходного изображения с координатами i, j. На заключительном этапе в пятом вычислителе 5 по вычисленным в четвертом вычислите 4 значениям координат пикселей трансформированного изображения осуществляется вычисление размеров результирующих изображений для панорамы в соответствии с выражениями (6) и (7).
В результате формируется изображение (рисунок 6) с трех камер ОЭС после трансформации, соответствующего графику, приведенному на рисунке 4Б, а результат сшивки изображений от всех 6 камер, характеризующихся различным оптическим увеличением (для иллюстрации технологии сшивки, верхний и нижний края панорамы не обрезаны) показан на рисунке 7.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит сформировать панораму с монотонным и безразрывным изменением масштаба изображения по всему полю зрения оптико-электронной системы, характеризующейся повышенным угловым разрешением на краях зоны обзора пространства и пониженным разрешением в центре зоны обзора пространства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. В.А. Соломатин, Н.В. Иванова. Современные направления развития панорамных оптико-электронных систем. Санкт-Петербург. X международная конференция «Прикладная оптика - 2012». Том 1, стр. 141, 144 таблица «Классификация и применение панорамных систем кругового обзора», системы с механическим сканированием (аналог).
2. В.А. Соломатин, Н.В. Иванова. Современные направления развития панорамных оптико-электронных систем. Санкт-Петербург. X международная конференция «Прикладная оптика - 2012». Том 1, стр. 144 таблица «Классификация и применение панорамных систем кругового обзора», макрооптические многоэлементные системы с составным угловым полем (прототип).