КОМПЛЕКС ДЛЯ СОВМЕСТНОЙ ЮСТИРОВКИ СКАНИРУЮЩЕГО ЛАЗЕРНОГО ДАЛЬНОМЕРА И ТЕЛЕВИЗИОННОЙ КАМЕРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТРЕХМЕРНОЙ ЮСТИРОВОЧНОЙ МИШЕНИ

Полезная модель относится к области оптической техники и предназначена для настройки блоков, состоящих из сканирующего лазерного дальномера и телевизионной камеры.
Ближайший аналог комплекса описан в патенте "Устройство, система и метод калибровки камеры и лазерного сенсора" [патент № WO 2012105727 A1]. Устройство включает юстируемый блок, состоящий из телевизионной камеры и двумерного сканирующего лазерного дальномера, юстировочную мишень, вычислительный блок, блок управления положением юстировочной мишени и регулируемую несущую конструкцию, на которой закреплена юстировочная мишень. Юстировочная мишень представляет собой плоский многогранник, на который проецируется сканирующий луч лазерного дальномера, регистрируемый телевизионной камерой.
Устройство работает следующим образом: лазерный дальномер устанавливается в такое положение, чтобы на юстировочной мишени появился след от сканирующего луча в виде серии точек, расположенных линейно, телевизионная камера формирует изображение юстировочной мишени и серии точек, обработка изображения производится вычислительным блоком, который, используя метод определения положения камеры относительно плоскости P3P [1] по одному из углов юстировочной мишени и следа сканирующего луча, вычисляет положение телевизионной камеры относительно юстировочной мишени и формирует матрицу перехода из системы координат сканирующего лазерного дальномера в систему координат телевизионной камеры.
Описанное устройство имеет ряд недостатков. Использование юстировочной мишени, выполненной в виде плоского многогранника, может приводить к неоднозначностям при определении положения камеры относительно плоскости мишени, и как следствие, к ошибкам в вычислении матрицы перехода. Кроме того, используемый способ выполнения юстировки ограничивает пределы применения матрицы перехода из системы координат сканирующего лазерного дальномера в систему координат телевизионной камеры областью пространства, расположенного в пределах юстировочной мишени.
Задачами полезной модели является повышение точности юстировки блока, состоящего из телевизионной камеры и сканирующего лазерного дальномера, и максимального уменьшения количества ручных операций в процессе юстировки.
Данные задачи решаются за счет применения трехмерной юстировочной мишени и управления ее положением с помощью электроприводов.
Полезная модель представляет собой комплекс, состоящий из несущей конструкции с установленными на ней юстируемым блоком, состоящим из телевизионной камеры и двумерного сканирующего лазерного дальномера, (блок «телевизионная камера - сканирующий лазерный дальномер»), трехмерной юстировочной мишени с дополнительно нанесенной цветографической схемой, вычислительного блока. Трехмерная юстировочная мишень, образуемая за счет использования выносного элемента, находящегося вне основной плоскости юстировочной мишени, позволяет применить более совершенный метод P4P [2] вместо используемого в приведенном патенте метода P3P для определения координат телевизионной камеры относительно юстировочной мишени и таким образом убрать неоднозначности, возникающие при расчете матрицы перехода из системы координат юстировочной мишени в систему координат телевизионной камеры. Дополнительное нанесение на юстировочную мишень контрастной цветографической схемы специального вида для формирования видеомаркеров позволяет уменьшить ошибки вычисления положения видеомаркеров на изображении. Специальная форма юстировочной мишени и применение выносного элемента позволяет также значительно упростить определение положения плоскости сканирования лазерного дальномера. Использование данных от сканирующего лазерного дальномера и телевизионной камеры в качестве входных данных для обратной связи и применение управляемых электроприводов позволяет создать систему с обратной связью и сделать процесс юстировки блока "телевизионная камера - сканирующий лазерный дальномер" полностью автоматическим.
Таким образом, предлагаемая полезная модель позволяет уменьшить ошибки вычисления матрицы перехода между системой координат сканирующего лазерного дальномера и системой координат телевизионной камеры и полностью исключить ручные операции из процесса юстировки блока "телевизионная камера - сканирующий лазерный дальномер".
На рис. 1 представлен общий вид комплекса для совместной юстировки сканирующего лазерного дальномера и телевизионной камеры. На рис. 2 представлена схема трехмерной юстировочной мишени.
Полезная модель, изображенная на рис. 1, включает оптическую скамью (1) с телевизионной камерой (2) и сканирующим лазерным дальномером (3), неподвижно закрепленными на неподвижном кронштейне (4), и трехмерной юстировочной мишенью (5), расположенной на регулируемом кронштейне (6), снабженном электроприводами для изменения положения, вычислительный блок (7) для обработки результатов измерений и управления электроприводами. Программное обеспечение вычислительного блока производит сбор и обработку видеоизображений от телевизионной камеры и измерительных данных от сканирующего лазерного дальномера и осуществляет вычисление матрицы перехода между системой координат телевизионной камеры и сканирующего лазерного дальномера, а также осуществляет автоматическое управление электроприводами регулируемого кронштейна. Телевизионная камера и сканирующий лазерный дальномер подключаются к вычислительному блоку с помощью стандартных интерфейсов и протоколов (USB, Ethernet, для сканирующего лазерного дальномера может применяться интерфейс RS-232).
Предлагаемая юстировочная мишень (рис. 2) выполнена в виде трехмерного объекта и представляет собой плоский элемент (8) с боковыми щелями (9) с нанесенной контрастной цветографической схемой (10), к которому с помощью кронштейна (11) крепится равносторонний крестообразный выносной элемент (12).
Длина сторон боковых щелей по оси Y равна ширине линейных элементов, образующих крестообразный выносной элемент. Расстояние L между малыми сторонами боковых щелей равно ширине крестообразного выносного элемента. Центр симметрии крестообразного выносного элемента находится на перпендикуляре, выходящем из середины отрезка, который соединяет вертикальные кромки боковых щелей, и лежащем на оси симметрии боковых щелей.
Цветографическая схема представляет собой набор элементов, расположенных через равные промежутки на окружности, количество и размер элементов, радиус окружности выбираются таким образом, чтобы элементы можно было различить и идентифицировать на изображении, окружность может быть расположена произвольно в пределах юстировочной мишени.
Предложенная трехмерная юстировочная мишень позволяет реализовать алгоритм определения положения камеры относительно юстировочной мишени методом Р4Р вместо Р3Р.
Матрица внутренних параметров телевизионной камеры должна быть известна, для ее расчета можно использовать, например, метод калибровки Цая [3]. Центральная ось сканирующего лазерного дальномера должна находиться в центральной вертикальной плоскости оптической скамьи.
Процедура юстировки содержит следующие этапы.
1. Блок устанавливается на оптической скамье таким образом, чтобы угол отклонения центральной оси сканирующего лазерного дальномера от оси, соединяющей центр юстировочной мишени с центром сканирующего лазерного дальномера, находился в диапазоне ±10 градусов. При этом юстировочная мишень должна находиться в поле зрения телевизионной камеры и в плоскости сканирования лазерного сканера.
2. Перемещением юстировочной мишени по высоте получают совмещение плоскости сканирования сканирующего лазерного дальномера и горизонтальных краев боковых щелей на юстировочной мишени.
3. Поворотом юстировочной мишени вокруг оси Z, получают одинаковое отображение боковых щелей на данных сканирующего лазерного дальномера.
4. Поворотом юстировочной мишени вокруг оси X добиваются совмещения плоскости сканирования и крестообразного выносного элемента.
5. Определяют матрицу перехода из системы координат сканирующего лазерного дальномера в систему координат юстировочной мишени на основе результатов измерения расстояния до юстировочной мишени, полученных сканирующим лазерным дальномером.
6. Определяют матрицу перехода из системы координат юстировочной мишени в систему координат телевизионной камеры, обрабатывая видеоизображение, полученное от телевизионной камеры, по методу P4P.
7. Определяют матрицу перехода из системы координат лазерного дальномера в систему координат телевизионной камеры.
Точность определения положения плоскости сканирования
,
где Δα - ошибка определения угла плоскости сканирования, Δb - ошибка установки шага кронштейна по высоте, r - расстояние между источником лазерного излучения и плоскостью юстировочной мишени, Δβ - ошибка установки угла кронштейна юстировочной мишени.
Методика расчета точности методов P3P и P4P описана в статье [4].
Список литературы:
1. Fischler M., Bolles R. Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography. Communications of the ACM. 1981. T. 24. №6. C. 381-395
2. Abidi M.A., Chandra T., A new efficient and direct solution for pose estimation using quadrangular targets: algorithm and evaluation. IEEE Transaction on pattern analysis and machine intelligence. 1995. T. 17. №5. C. 534-538
3. Tsai R.. An efficient and accurate camera calibration technique for 3D machine vision. Proceedings of IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 1986. C. 364-374.
4. Lepetit V., Moreno-Noguer F., Fua P. EPnP: An accurate O(n) solution to the PnP problem. International Journal of Computer Vision. 2009. T. 81. №2. C. 155-166.