Определение рассогласований параметров цифровой системы стереозрения посредством информационного и корреляционного анализа изображений стереопары

УДК 621.391

С.В. Кравцов

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССОГЛАСОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ ЦИФРОВОЙ СИСТЕМЫ СТЕРЕОЗРЕНИЯ ПОСРЕДСТВОМ ИНФОРМАЦИОННОГО И КОРРЕЛЯЦИОННОГО АНАЛИЗА ИЗОБРАЖЕНИЙ СТЕРЕОПАРЫ

Рассматривается методика определения рассогласований параметров цифровой , -

. -

тема из двух сонаправленных цифровых видеокамер. Приводятся результаты модельных экспериментов по определению рассогласований цифровой системы стереозрения посредством информационного и корреляционного анализа изображений стереопары. Использование информационного и корреляционного анализ изображений стереопары определяет высокую точность получаемых оценок рассогласований параметров цифровой системы .

; .

S.V. Kravtsov

DEFINITION OF DIGITAL STEREOVISION SYSTEM MISMATCHES THROUGH INFORMATION AND CORRELATION ANALYSIS OF

STEREOPAIRS

Touches upon the method determining the mismatch parameters of the digital system stereo-vision based on the informative and correlative analysis of a stereo pair images. As digital stereo-vision system is analyzed system from two collinear digital camcorders. The results of model experiments to determine the digital stereovision system mismatches through informative and correlative stereo image analysis are presented. The use of informative and correlative stereo image analysis determines the high accuracy of the estimates of the digital stereovision system parameters mismatches.

Stereovision; correlation analysis.

Выводы [1, 2, 3], полученные в ходе исследований статистических распределений ошибок измерений координат точечных объектов при рассогласованиях параметров цифрового стереоскопического измерителя, свидетельствуют, что любые рассогласования приводят к деформации измерительного пространства и ухудшению точности измерений цифровых бинокулярных систем технического зрения (БСТЗ). Эти выводы делают актуальными в первую очередь вопросы ка.

Патентные исследования в области калибровки БСТЗ выявили ряд недостатков и ограничений известных методов и подходов [4, 5, 6], применяемых для решения данной задачи.

- , -тивные признаки рассогласований, выделяемые на изображениях стереопары по тестовому или эталонному объекту наблюдаемой сцены. Информативные признаки определяются в пиксельном пространстве фотоматриц, носят характер дискретных оценок и, следовательно, имеют ошибки, что не может не сказаться на резуль-.

-,

выбираются либо специально созданные эталонные сцены, либо выбранные по каким-либо критериям реальные объекты наблюдаемой сцены. В первом случае ка-

либровка предполагает участие человека для установки в определенном месте тестового объекта-шаблона. Во втором случае затруднено определение стереобазы БСТЗ за счет незнания истинного положения (координат) выбранного тестового объекта.

В-третьих, существующие методы при определении информативных признаков рассогласований параметров БСТЗ не учитывают параллакс при наблюдении ( ) , .

, -

вания (несоосность - отклонения оптических осей видеокамер (ВК) по углу места

а, крена Д тангажа у; расфокусирование - разность фокусных расстояний объективов ВК 3/ = /вкг -/вк 1; смещение оптических центров ВК вдоль осей X - Зх, У - Зу, Ъ - Зг) БСТЗ по одной тестовой таблице. Полагается, что проекционные искажения в стереопаре за счет аберрации объективов скомпенсированы. Дефекты фотоматриц ВК полагаются не существенными.

Специфика обусловлена нанесением двух идентичных тестовых изображений (мишеней), геометрические центры которых (рис. 1) разнесены на величину Ь базы. Тестовая таблица должна размещаться в области, где поля зрений обеих ВК не перекрываются, при этом мишень 1 попадает в поле зрения ВК1, а мишень 2 - в поле 2. , , параллельна оси 0Х. Плоскость тестовой таблицы имеет наклон в. При идеальной согласованности параметров стереосистемы фиксируемые изображения от мишеней . -точности фиксируемых изображений мишеней. По характеру и размеру этих нарушений возможно установление вида рассогласования и его оценка.

Рис. 1. Размещение тестовой таблицы для калибровки стереосистемы

Полагается, что все возможные рассогласования двух ВК в БСТЗ [3] можно

2- 1- .

Проведением сравнительного анализа изображений мишеней в стереопаре при моделировании рассогласований получены информативные признаки соответствующих рассогласований. Результаты представлены в табл. 1. Сравнительный анализ изображений стереопары производился путем простого наложения для выявления смещения центров мишеней тестовой таблицы и путем наложения с совмещением центров мишеней тестовой таблицы для выявления наличия и характера деформаций в изображениях стереопары.

Расположение указанных в табл. 1 квадрантов (обозначение - кв.) соответствует приведенному на рис. 2.

1

Информативные признаки рассогласований

Ки.| [1.Н1-Ш. Информативный параметр нюоряжрний

инонмм По гортонтяти По вертикали

Тип рассогла- ГЩЫННЯ Значе гаге Смешение геометри- ческого ЦГИфЭ Шмевевие масштаба относительно геометрического центра изображения ВК2. иной признак Смешение геометри- ческого цгнфа Изменение масштаба относительно геометрического центра изображения ВК2 иной ирнши

пт 1кв 2кк Зкв 1 КВ пи* 1 КБ Зкв. 4 и

1 Ри«ф»куі ЦХІІНПНІГ

¥ #4) Уш* 1мч1*ииг м. гшиїн (Уп V) УиМ

АрФ Уменьшение ип гит о.1 (Ум У) Ум V

I 1 пчиипяппя оптической осп ЮР по отяотенит к напряженности оптической оси НК‘1

НО УГЛУ а>0 влево НСЭНйЧ. УвМ ШТІШІ Ум М ИСШЧ. УвМ аслич. Ум М жшн. УвМ исзиач. Ум М клич УвМ иезшч УиМ

места «ко япрлпо незна’ч. VII м не знач. V* м не знач. Ум М незнач. Ум М незнач Ум VI везнач Уж М везнач Ум М незнач VII м

ш> yi.iv Д&-Й В|міт*нме щнмнк ч.іі іжаїн г і|м* ікн Bfi.il

14КН4 /КО Вращение по часовой г третье Вращение по часовой стрелке

по углу нет ІІГ1ГИЧ УвМ пстпач Ум М щу-рх пстпач УвМ пстпач Ум М

инт^ш г-0 исзиач Ум М исзиач УвМ шшэ незнач Ум М и: знач Ув М

3 Смсщсимс оптического цешра ВК2

ію оси Л' &И) шіра по неї

й«<0 Я11* ж»

ПО ОСИ У вет вверх

вниз

ПО ОСИ г Й.-’О вет У в М иет УвМ

&<0 Ум М Ум М

Анализ информативных признаков свидетельствует, что не всегда однозначно можно выявить вид рассогласования, присутствующий в БСТЗ, путем сравнительного анализа изображений стереопары. Например, расфокусирование и смещение оптического центра ВК2 по оси Ъ имеют схожие информативные признаки. Для различения расфокусирования и смещения оптического центра ВК2 по оси Ъ мишени тестовой таблицы должны быть трехуровневыми.

При задании комбинированных рассогласований сравнительный анализ изображений стереопары показывает наложение (комбинацию) информативных при, -согласований и определения их величины.

В этих условиях для калибровки БСТЗ эффективным оказывается метод корреляционного анализа изображений. Первый метод, назовем его прямым методом, с использованием корреляционного анализа изображений стереопары заключается в обеспечении максимума взаимной корреляционной функции изображений £вк 1 и 5Вк2 при управлении настройками параметров ВК2 по компенсации рассогласова-. , -гается, когда изображения стереопары идентичны, и, следовательно, рассогласования А в БСТЗ отсутствуют.

Другим

5ВК^Д), которое сравнивают с изображением 5ВК2. Максимум взаимной корреляционной функции изображений 5ВК^Д) и 5ВК2 дает оценку рассогласований А БСТЗ. Вычисленные значения рассогласований могут быть использованы для принятия мер по их устранению или учитываются при измерениях координат объектов наблюдаемой сцены рассогласованной БСТЗ.

Как в первом, так и во втором методе, рассогласования А будут определяться как , , -ского центра ВК, с размерностью 7x1. Следовательно, в общем случае взаимная корреляционная функция изображений 5ВК1 и 5ВК2 должна находиться в семимерном про-

странстве рассогласований Л Размерность пространства взаимной корреляционной функций может быть уменьшена за счет анализа информативных признаков рассогласований изображений стереопары (см. табл. 1). Отсутствие каких-либо из информационных признаков рассогласований говорит об отсутствии самих этих рассогласований, и, следовательно, размерность вектор а рассогласований А может быть понижена. Это снижает количество регулируемых (наслаиваемых) параметров ВК2 для прямого метода или вычислительные затраты для имитационного метода.

Точность калибровки БСТЗ для прямого метода полностью определяется , 2. точность определения рассогласований БСТЗ не превышает величины половины

/2.

Имитационные эксперименты проводились на модели БСТЗ с параметрами: расстояние между ВК (стереобаза) - 0,5 м; фокусные расстояния объективов ВК -8 мм; размеры фотоматриц ВК - ^хМ=1600х1200; линейные размеры пикселей фотоматриц - 3 мкм.

Мишени тестовой таблицы имитировались трехуровневым набором контрастных точек. На матрицах ВК1 и ВК2 находились полутоновые изображения 5ВК1 и ^вк2 соответствующих мишеней в 8-битной кодировке с шумами на уровне младшего разряда (соотношение сигнал/шум = 42 дБ). При отсутствии рассогласований в БСТЗ значение нормированного коэффициента взаимной корреляции изображений 5ВК1 и 5ВК 2 по серии из 100 расчетов лежало в пределах 0,95.. .0,96.

,

2- :

-0,5...0,5 мм, для угловых параметров направления оптической оси -1.1 град и для смещений оптического центра -1.1 см. На рис. 3 приведен пример наложения полученных полутоновых изображений стереопары 5ВК1 и 5ВК2 при наличии .

Рис. 2. Расположение указанных в табл. 1 квадрантов при анализе изображений стереопары, размерностью N х М пикселей

Рис. 3. Наложение 8ВК1 и ^К2 при наличии рассогласований пикселей

На рис. 4 приведены примеры определения имитационным методом рассо-, , при размерности вектора рассогласований А 2x1.

Точка максимума нормированной взаимокорреляционной функции изображений 5ВК1 и 5ВК2 (указана для всех приведенных на рис. 4 случаев) дает оценку значений рассогласованности БСТЗ. Полученные оценки рассогласованности БСТЗ имитационным методом соответствуют заданным значениям вектора рассо-

гласований Л Для больших размерностей вектора рассогласований при нахождении максимума нормированной взаимокорреляционной функции изображений 5ВК1 и 5В К2 достигались аналогичные результаты по оценке значений вектора рассогла-.

Рис. 4. Нормированные взаимокорреляционные функции изображений 3Вш и 3Вк2 при рассогласованиях: а - по углу места и расфокусировании; б - по углам места и крена; в - по углу места и смещении оптического центра ВК2 по оси X; г -расфо^сировании и смещении оптического центра ВК2 по оси X

Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования корреляционного анализа для калибровки цифровой БСТЗ. Путем создания идентичных тестовых сцен для каждой из ВК удается избежать параллакса наблюдаемой сцены в стереопаре и тем самым обеспечить высокую точность корреляционных методов ка.

автономной автоматической калибровки БСТЗ, используемых в составе навигационных комплексов ближнего действия мобильных робототехнических систем.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Румянцев К.Е., Кравцов С.В. Анализ измерительного пространства цифровой телевизионной стереоскопической системы. Точечное и интервальное оценивание координат точек трехмерной сцены // Электротехнические и информ ационные комплексы и системы.

- 2011. - Т. 7, № 3. - С. 38-48.

2. Румянцев К.Е., Кравцов С.В. Анализ ошибок измерений глубины точек трехмерной сцены цифровой телевизионной стереоскопической системой // Радиотехника. - 2011. - № 9.

- С. 83-93.

3. . . -

//

угрозам терроризма. - 2011. - № 17. - С. 31-52.

4. Шапиро Л. Компьютерное зрение / Л. Шапиро, Дж. Стокман: Пер. с англ. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2006. - 752 с.

5. Маркович ДМ., Токарев МЛ. Алгоритмы реконструкции трехкомпонентного поля скорости в методе STEREO PIV // Вычислительные метод ы и программирование: новые вычислительные технологии. - 2008. - Т. 9, № 1. - С. 311-326.

6. Крайский А.В., Миронова ТВ. Калибровка оптической системы корреляционным методом. Краткие сообщения по физике ФИАН. - М., 2008. - № 8. - С. 14-24.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор ГА. Галуев.

Кравцов Сергей Валентинович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: krsvtg@rambler.ru; 347928, г. Таганрог, ул. Чехова, 2; тел.: 88634315507; кафедра информационной безопасности теле; .

Kravtsov Sergey Valentinovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: krsvtg@rambler.ru; 2, Chekhov street, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634315507; the department of information security telecommunication systems; head of laboratories.

ІІ3