МЕТАМЕРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТРЕХМЕРНОЙ НАВИГАЦИИ

Полезная модель относится к области цифровой съемки и обработки цифрового изображения и может быть использована для получения трехмерных изображений окружающего предметного пространства в робототехнике, в геологии при дистанционном зондировании полости в вырабатываемой породе и др.
Прототипом является камера и оптическая система для получения 3d изображений по патенту Российской Федерации RU 2543688, МПК H04N 13/02, 10.03.2015, содержащая блок управления источником света, соединенный выходами с входом источника света, входом блока обработки сигнала, и связанный выходом с модулем глубины изображения, состоящим из светоделителя, который подает видимый свет на первый датчик изображения напрямую и второй датчик изображения через последовательно связанные оптические элементы и затвор путем передачи видимого света, сфокусированного объективом, в свою очередь первый и второй датчики изображения соединены выходами с входами блока обработки сигнала, который соединен выходами с входом блока памяти и входом дисплея.
Основным недостатком прототипа является сложность его оптической системы из-за наличия модуля изображения глубины, состоящего из светоделителя, набора оптических линз, второго датчика изображения.
Задачей полезной модели является разработка датчика для получения трехмерных изображений окружающего предметного пространства, принцип действия которого основан на явлении метамеризма освещения поверхностей окружающего предметного пространства, использование которого позволит устранить основной недостаток прототипа.
Явление метамеризма освещения используется в технических системах регистрации изображений как цифровых, так и аналоговых [Метамерия (цвет) [Электронный ресурс] // Wikipedia Свободная энциклопедия. 2016. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/ Метамерия_(цвет). (Дата обращения: 30.05.2016)].
Техническим результатом полезной модели является упрощение его оптической системы за счет исключения светоделителя, набора оптических линз и второго датчика изображения.
Технический результат достигается тем, что метамерический датчик трехмерной навигации, содержащий источник света и размещенные в корпусе: блок управления, соединенный с источником света, объектив, блок памяти, а также последовательно соединенные датчик изображения, блок обработки сигнала и дисплей, причем блок обработки сигнала соединен с блоком памяти, согласно настоящей полезной модели, дополнительно содержит блок фотоэлементов, при этом блок фотоэлементов через блок обработки сигнала соединен с блоком управления источником света, блок памяти имеет обратную связь с блоком обработки сигнала, а объектив соединен с датчиком изображения.
Источник света выполнен в виде светодиодного RGB прожектора с видимым спектром излучения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена блок-схема предлагаемого метамерического датчика трехмерной навигации.
На чертеже цифрами обозначены:
1 - Источник света,
2 - Блок управления,
3 - Блока обработки сигнала,
4 - Датчик изображения,
5 - Объектив,
6 - Блок памяти,
7 - Блок фотоэлементов,
8 - Дисплей,
9 - Корпус.
Метамерический датчик трехмерной навигации содержит источник 1 света и размещенные в корпусе 9: блок 2 управления, соединенный с источником 1 света, объектив 5, блок 6 памяти, а также последовательно соединенные датчик 4 изображения, блок 3 обработки сигнала и дисплей 8, причем блок 3 обработки сигнала соединен с блоком 6 памяти.
Предлагаемый датчик отличается тем, что он дополнительно содержит блок 7 фотоэлементов, при этом блок 7 фотоэлементов через блок 3 обработки сигнала соединен с блоком 2 управления источником света, блок 6 памяти имеет обратную связь с блоком 3 обработки сигнала, а объектив 5 соединен с датчиком 4 изображения. Источник света 1 выполнен в виде светодиодного RGB прожектора с видимым спектром излучения.
Принцип действия предлагаемого датчика для получения трехмерных изображений окружающего предметного пространства основан на явлении метамеризма освещения поверхностей окружающего предметного пространства.
Явление метамеризма освещения заключается в том, что цвет одной и той же видимой точки поверхности наблюдаемого объекта воспринимается по-разному относительно наблюдателя при различных условиях освещения.
Понятие метамеризма лежит в плоскости двух областей знаний: оптика и колориметрия. Индикатором при возникновении метамеризма является световое пятно, создаваемое на поверхности монохромным (или близким к монохромному) источником света. Субъективные цвета поверхности и светового пятна при этом смешиваются по функции
Явление метамеризма допускает простое количественное описание, если обратиться к математическому описанию цвета, например, в рамках цветового пространства CIE XYZ. В данной цветовой модели каждому излучению со спектральной плотностью распределения мощности Р(λ) сопоставлены три координаты цвета x',y',z', вычисляемые по формулам (1):
где λ - длина волны;
- ординаты кривых сложения в системе CIE XYZ, а интеграл берется по спектральному диапазону видимого излучения.
1
2
Поскольку цвета, отвечающие двум метамерным излучениям со спектральными плотностям и распределения Р(λ) и P(λ)совпадают, то должны попарно совпадать и соответствующие значения координат цвета.
Следовательно, необходимым и достаточным условием метамерности является выполнение трех равенств (2):
1
2
Различие спектральных плотностей Р(λ) и Р(λ) может быть связано с применением излучений двух различных источников, а в случае несамосветящихся объектов - также и различием в отражательных свойствах объектов. Поэтому причиной метамерии могут быть как различия в спектральном составе излучения источников, так и различия в оптических свойствах освещаемых объектов.
В силу перечисленных причин цвет предмета изменяется при смене освещения.
Красная, зеленая и синяя составляющие смешанного цвета точек при освещении поверхности известным источником света записывается в виде (3) соответственно:
Цветовое отличие Δa' записывается в виде (4):
где  и  - цветовые составляющие точки при начальной и конечной стадии измерения соответственно.
1
При этом коэффициент метамеризации цвета kP'(λ), который характеризует, во сколько раз изменится величина освещенности точки поверхности при изменении цветового отличия на одну единицу, учитывая начальные хроматические координаты цвета точки, записывается в виде (5):
1
На практике коэффициент метамеризации цвета kP'(λ) носит условный характер и в силу множества оказывающих влияние факторов измеряется в относительных единицах, поэтому может быть представлен в виде некой функции, имеющей прямую линейную зависимость от контрастности Майкельсона γ (6):
max
min
где B и B - максимальная и минимальная яркость точек цифрового изображения, полученного при помощи цифровой светочувствительной матрицы без автоматической коррекции цветового баланса.
Для получения более точных результатов необходимо создать наибольшее цветовое отличие каждой области исходного цифрового изображения и цифрового изображения, полученного при освещении вторичным монохромным источником света.
Достичь этого можно за счет повышения контрастности Майкельсона, применяя монохромный источник света с длиной волны, соответствующей одному из малых эллипсов МакАдама, характеризующих точность цветовосприятия: чем уже эллипс, тем выше цветоразличимость.
Работа блока 3 обработки сигнала основана на упрощенном законе Ламберта, который, в случае расположения источника 1 света и наблюдателя (на блок-схеме условно не показан) в одной точке, принимает вид (7):
2
где L - яркость поверхностей окружающего предметного пространства, кд/м;
ρ - коэффициент отражения поверхностей окружающего предметного пространства;
I - сила света источника света 1 в заданном направлении, кд;
d - расстояние от поверхностей окружающего предметного пространства до наблюдателя, м;
Предполагается, что каждое из неизвестных расчетных величин L и ρ имеет три состояния (стадии). Под стадией понимается характер изменения количественного значения исследуемого свойства. Условно обозначено три стадии: 1' - минимальная, 2' - средняя и 3' - максимальная.
Зависимости построены основываясь на предположении, что всегда есть промежуток значений, при котором физическая величина подобна ее субъективному эквиваленту. Этот промежуток соответствует второй стадии (предполагается, что субъективная величина всегда лежит в пределах одной - второй стадии), а подобие величин записывается в виде (8):
где n и n' - физическая величина и ее субъективный эквивалент соответственно;
max
min
n и n - максимальное и минимальное значение физической величины соответственно;
max
min
n' и n' - максимальное и минимальное значение субъективной величины соответственно;
ƒ(k) - корректирующая функция.
Так, известно, что цвет поверхности определяется спектральным составом отраженных от поверхности световых пучков.
Белый цвет поверхности с физической точки зрения означает, что поверхность отразила весь видимый спектр светового излучения. Соответственно, черный цвет означает, что поверхность рассеяла весь видимый спектр светового излучения. Степень соответствия цвета белому характеризуется относительной величиной 0≤L*≤100 - светлота, а черному - относительной величиной 0≤L'≤100 - яркость. Таким образом, с учетом некоторых допущений можно предположить, что имеется существенная вероятность того, что при достаточной освещенности коэффициент отражения 0≤ρ≤1 белой поверхности стремится к максимальному значению, а черной - наоборот, к минимальному. Также коэффициент отражения ρ>0,7 характеризует близкую к зеркальной поверхность, которая может отражать цвета окружающих объектов, отличающиеся от белого. Таким образом, в частном случае можно предполагается, что для коэффициента отражения, 0,1≤ρ≤0,7 справедливо подобие (9):
Корректирующая функция ƒ(k) в этом случае не может быть описана в виде математического выражения, поскольку не является прогнозируемой и ее необходимость обусловлена существующей вероятностью получения ложных данных в результате взаимодействия с поверхностями, коэффициент отражения которых находится в третьей стадии ρ>0,7.
Таким образом, если субъективная величина зависит от ее физического эквивалента в двух и более стадиях, то необходима корректировка с n-количеством (равным количеству стадий) изменений условий наблюдения.
Следовательно, для получения достоверных данных о коэффициенте отражения поверхности, необходимо проводить измерения в двух стадиях: при первичном освещении и при вторичном с корректирующим источником света.
2
кц
Наибольшая корреляционная зависимость между физической величиной яркости поверхности L, кд/м и ее субъективной величиной - светлотой L* наблюдается в цветовом пространстве CIE 1976 L*a*b*, в котором L* является нелинейно-изменяющейся величиной с учетом коррелированной цветовой температуры источников света T.
кц
Поскольку цветовая температура первичного источника света заранее не известна, необходим относительный метод для ее определения по цифровому изображению. Предполагается, что на цифровом изображении существует самая светлая точка, которую условно можно считать источником света, а отклонение ее цвета от абсолютно белого можно считать субъективной величиной для определения относительной цветовой температуры источника света. Предполагается, что абсолютно белому свету соответствует цветовая температура 4200 К. Соответствие цветовой температуры Т цветовым хроматическим координатам  записывается в виде (10):
где  - ординаты кривых сложения в системе CIE XYZ.
Таким образом, получены относительные значения коэффициента отражения ρ и яркости поверхности L, которые применяются в упрощенном алгоритме на основе закона Ламберта. Однако закон Ламберта имеет теоретический характер и малопригоден для применения на практике. С целью применения закона Ламберта на практике в алгоритм вводятся корректирующие функции в виде набора коэффициентов, полученных в результате численного моделирования.
Работа метамерического датчика трехмерной навигации осуществляется следующим образом.
Источник света 1, выполненный в виде светодиодного RGB прожектора с видимым спектром излучения, освещает окружающее предметное пространство. Отраженные от поверхностей окружающего предметного пространства пучки света проходят через объектив 5, преломляются и воздействуют на светочувствительный датчик 4 изображения, который может быть выполнен в виде светочувствительной КМОП-матрицы. На выходе датчика 4 изображения формируется цифровой сигнал, содержащий данные о пучках света, воздействующих на светочувствительную поверхность датчика 4 изображения, который поступает на вход блока 3 обработки сигнала, который может быть выполнен в виде процессора обработки сигналов DSP или процессора обработки сигналов изображения ISP.
На выходе блока 7 фотоэлементов формируется аналоговый сигнал, содержащий данные об уровне освещенности на поверхности светочувствительных фотоэлементов, который передается на вход блока 3 обработки сигнала.
На основе полученных данных блок 3 обработки сигнала посредством цифрового сигнала считывает корректирующие коэффициенты, записанные в виде цифровых данных в блок 6 памяти, который может быть выполнен в виде энергонезависимой памяти EEPROM (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).
На основе сопоставления данных блок 3 обработки сигнала формирует карту глубины окружающего предметного пространства в виде координат его точек в трехмерной системе и записывает полученные результаты посредством цифрового сигнала в блок 6 памяти.
Также блок 3 обработки сигнала формирует изображение карты глубины окружающего предметного пространства, которое передается в виде цифрового сигнала на дисплей 8 для визуальной демонстрации пользователю.
Далее блок 3 обработки сигнала в зависимости от полученных данных корректирует работу метамерического датчика и на его выходе формируется цифровой сигнал, содержащий требуемые значения цветности и яркости источника света, который поступает на вход блока 2 управления.
На основе полученного сигнала блок 2 управления посредством аналогового сигнала регулирует мощность красного, зеленого и синего каналов источника 1 света. После чего цикл работы метамерического датчика трехмерной навигации повторяется.
Использование предложенной полезной модели позволит, по сравнению с прототипом, упростить оптическую систему датчика для получения трехмерных изображений окружающего предметного пространства за счет исключения светоделителя, набора оптических линз и второго датчика изображения.