Анализ применимости оптических методов измерений для автоматизированного учета круглых лесоматериалов

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ ОПТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УЧЕТА

круглых лесоматериалов

A. М. ЖЕРЕБИН, проф., зам. ген. директора ФГУП «ГосНИИАС», д-р техн. наук,

И В. ВОСКОБОЙНИКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦ ЛПК» по науке, д-р техн. наук,

B. М. ЩЕЛОКОВ, зам. ген. директора ФГУП «ГНЦЛПК»

В материалах статьи представлены результаты исследований применения оптических методов измерений, основанных на фотограмметрических принципах, для автоматизированного учета круглых лесоматериалов, выполненные ФГУП «ГНЦ ЛПК» совместно с Государственным центром системных исследований «ГосЦСИ».

Целью учета круглых лесоматериалов является оценка объема древесины в пачке на этапах погрузки/разгрузки. В настоящее время учет ведется путем ручного измерения диаметров спилов бревен пачки и оценки объема на основании стандартных таблиц в предположении, что длина бревен в пачке известна.

Предлагаемая система машинного зрения оценивает диаметры спилов в пачке на основе обработки цифровых изображений торцов пачки, регистрируемых стереосистемой видеокамер. Технический облик системы автоматизированного учета круглых лесоматериалов проектировался на основе следующих технических требований.

Система должна решать задачи учета круглых лесоматериалов на основе методов обработки изображений измеряемой пачки бревен, поступающих от видеокамер, расположенных в пункте приема/отгрузки круглых лесоматериалов

Система строится на базе экономичных видеокамер и должна выполнять свои функции в условиях работы на пункте при-ема/отгрузки круглых лесоматериалов.

Система должна выполнять следующие функции: захват изображений с системы видеокамер, нахождение на изображениях пачки бревен, определение габаритов пачки бревен (описывающий прямоугольник), построение выпуклой оболочки пачки бревен (описывающий многоугольник), нахождение на изображе-

gnclpk@mail.ru

ниях торцов бревен, расчет количества бревен в пачке, расчет диаметров и площади выделенных торцов бревен, расчет объема древесины в пачке по методикам ЛПК, формирование отчета с данными о параметрах данной пачки бревен (количество бревен, объем пачки).

Экспериментальная установка автоматизированного учета круглых лесоматериалов размещается на пункте приема ЛПК «Балакирево». Параметры измеряемой пачки бревен: длина бревен в пачке - 6 м, габариты пачки - от 1 х 1 м до 2,5 х 2,5 м.

Система должна включать 4 видеокамеры высокого разрешения, 4 объектива с автоматической диафрагмой, средства преобразования телевизионного сигнала в цифровой формат, персональный компьютер в качества средства обработки данных.

Для проведения измерений использовались фотограмметрические методы, позволяющие рассчитать трехмерные координаты объекта, наблюдаемого стереосистемой видеокамер.

Для оценки объема пачки выполнялись измерения торцов стволов с обеих сторон пачки и использовалась система, состоящая из двух стереосистем видеокамер, каждая из которых наблюдает свой торец пачки.

Программный комплекс выполняет следующие функции: просмотр видеоизображения с левой и правой камеры на мониторе ПК; захват и оцифровку видеоизображения и сохранение их в файлы; трансформирование изображений; проведение измерений трехмерных размеров объекта в ручном режиме; поиск границ среза ствола и расчет его площади в полуавтоматическом режиме; поиск всех срезов стволов в пачке, расчет их площадей в автоматическом режиме; поиск границ пачки древесины, расчет ее площади в автоматическом режиме.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

19

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

Рис. 1. Рекомендуемое расположение камер при съемке

Программное обеспечение реализовано на языке C++ под WindowsXP в виде исполняемого модуля MW.exe. Для работы программы использовались следующие файлы: MW.exe -выполняемый модуль; Impara01.txt, ImparbOl. txt - файлы параметров камер; config.txt - файл настроек алгоритма; whelp.hlp - help файл.

В процессе работы программы создаются также следующие файлы: ciL.txt - файлсписок найденных спилов; obL.txt - файлсписок найденных точек оболочки пачки.

Анализ требуемой точности измерений диаметров спилов. При рассмотрении задачи измерений суммы площадей спилов удобно разделить ошибку измерений на случайную и систематическую составляющие. Влияние случайной составляющей на точность измерения будет тем меньше, чем больше количество бревен в пачке (за счет усреднения ошибки), а влияние систематической составляющей измерения диаметра на измерения площади определяется квадратичной зависимостью. То есть, если измеренный диаметр представить как du3M = d(1+k), где k - относительная ошибка измерения диаметра, то ошибка измерения площади AS/S = (1+k)2. Для малых величин k AS/S ~ 1+2k. То есть при требованиях к ошибке измерения площади спилов на уровне 5 % относительная точность измерения диаметра должна быть 2,5 %, что составляет 5мм при

Рис. 2. Симметричное расположение камер при съемке

среднем диаметре бревна 200 мм. Приведенные значения точности позволяют приближенно оценить достаточность разрешающей способности используемых камер.

При высоте рабочей области 2,5 м и размере изображения 576 пикселей один пиксель снимка соответствует приблизительно

4,3 мм. То есть измерять точки снимка необходимо с ошибками менее одного пикселя.

При реализации комплекса процесс измерения происходит следующим образом: - производится калибровка системы для определения параметров внутреннего и внешнего ориентирования камер;

Рис. 3. Взаимное расположение точек снимка стереопары и объекта

20

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

- захватывается стереопара объекта съемки;

- на обоих снимках стереопары распознаются окружности и определяются координаты их центров и радиусы;

- для каждой окружности по координатам ее центра на левом и правом снимке стереопары находится дальность до спила путем решения прямой фотограмметрической засечки;

- вычисляется диаметр спила путем приведения пиксельного радиуса окружности к масштабу объекта.

Наиболее предпочтительным расположением камер при этом способе является расположение с наклонным к плоскости пачки базисом, как показано на рис. 1. Рассматривается также вариант с симметричным расположением камер

Поскольку центр проектирования (точка съемки) правой камеры и пространственная прямая, соответствующая точке левого снимка (прямая, проходящая через центр проектирования левого снимка и точку левого снимка), образуют плоскость, в которой должна лежать точка объекта и соответствующая точка правого снимка, то может быть записано условие компланарности базиса фотографирования В и точек снимков р{ и р2 , являющихся изображениями одной и той же точки объекта съемки: Bip^p^) = 0.

В координатной форме это равенство имеет вид

В2

P\z =0.

Plz

Это равенство удобно спроектировать на оси системы координат правого снимка. Тогда приведенное уравнение может быть записано в виде

х. -

Вх By

Plx Р^у

р2х Ply

вх By B2 Bv Bz

Plx Ply Plz - У Ply Plz

Plx Ply Plz

вх

Pi*

Bz

Р\2

Уг

Вх

Р\х

ВУ

Рь

/2=0,

где (В Я В f = Agl{Xofl - Хоа) - координаты

0/2'

базиса фотографирования в системе координат правого снимка;

(PixPiyPjT=Ag2A/ (*i УгАУ-пространственные координаты точки левого снимка в системе координат правого снимка.

Как показал проведенный эксперимент, разработанная процедура калибровки камер обеспечивает среднеквадратическое отклонение невязок уравнений коллинеарности не хуже 0,5 мм, что позволяет обеспечить точность измерений расстояний между точками не хуже 1,5 мм. То есть основным источником ошибок в этом методе будут ошибки распознавания окружностей на снимках.

Предложен также комплекс, реализующий метод измерения дальности до всего объекта в целом. В отличие от предыдущего случая при реализации этого метода не происходит измерение дальности до каждого спила, а задача измерения диаметров спилов решается путем трансформирования снимка на заданную плоскость с последующим измерением диаметра по трансформированному снимку. Реализация этого метода позволяет избежать решения задачи стереосоответствия для каждого спила и может позволить значительно упростить систему, сделать ее удобней в эксплуатации, а также при проведении дополнительных исследований может быть рассмотрена возможность реализации мобильного варианта комплекса.

Процесс измерений может быть реализован следующим образом.

Пусть геометрия съемки такова, что левая камера находится напротив пачки лесоматериала, а правая установлена сбоку, как показано на рис. 3. Тогда после калибровки камер и получения стереопары объекта съемки пользователь намечает три точки на левом и правом снимке, как показано рис. 4.

По результатам проведенных экспериментов можно утверждать, что площадь спилов пачки лесоматериалов может быть измерена с точностью порядка 5 % при соблюдении условий съемки.

Для оценки работы системы в реальных условиях работы лесоперерабатывающего предприятия были проведены экспериментальные работы по оценке технических характеристик системы. Исследуемые варианты системы

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012

21

Лесозаготовительное производство и лесное машиностроение

t Пуск I gy Mfcrosoft Word - s,.. | ^ 3PM-W - Right

13:49

Рис. 4. Определение плоскости трансформирования тремя точками

Рис. 5. Расчет ортофото и распознавание спилов

22

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 8/2012