Способ фотограмметрии ледового поля в ледовом бассейне
ICE FIELD PHOTOGRAMMETRY METHOD IN ICE BASIN

Изобретение относится к области измерений с помощью фотограмметрии, а именно к цифровой прикладной фотограмметрии близких объектов и может быть использовано, в частности, для автоматизированного картирования поверхности ледового поля при проведении испытаний морских судов и сооружений в ледовых бассейнах.
Характерной особенностью прикладной фотограмметрии является малость расстояния от измеряемого объекта до устройства фотофиксации в сравнении с размерами самого объекта, что приводит к необходимости сращивания изображений фрагментов объекта для получений целой картины. Определяющую роль при этом играют отсутствие перспективных искажений сращиваемых фотоснимков и совпадение масштабов. Применение ортофотосъемки позволяет избежать перспективных искажений снимков, однако на близких расстояниях ее выполнение является технически сложной и трудоемкой задачей. Другим методом устранения перспективных искажений является коррекция полученных изображений, однако для этого, во-первых, необходимо знать угол отклонения оптической оси объектива устройства фотофиксации от нормали к поверхности объекта и, во-вторых, реальный масштаб сращиваемых изображений.
Из уровня техники известен способ бесконтактного измерения формы объекта по патенту РФ № 2419069 (опубл. 20.05.2011), в котором для выявления особенностей поверхности объекта на него наносят плоские координатные метки, тем самым формируя опорную текстуру поверхности объекта. Размер и плотность нанесения плоских меток зависит от чувствительности оптического фиксирующего прибора. С помощью оптического фиксирующего устройства получают изображение поверхностей объекта. Восприятие изображений мелких деталей на поверхности объекта осуществляют с помощью оптического фиксирующего прибора с большим разрешением. Производят поиск наилучшего сопоставления оптических характеристик участков поверхности объекта на всех изображениях объекта и по результатам сопоставления определяют форму объекта. Недостатком данного способа является необходимость нанесения материальных координатных меток непосредственно на поверхность объекта, что не применимо в случае измерения формы поверхности ледового поля.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ бесконтактного измерения линейных размеров трехмерных объектов по патенту РФ №_2334195 (опубл. 20.09.2008), заключающийся в формировании на поверхности объекта координатных меток в виде структурированной подсветки пучком оптического излучения. Для каждой точки контролируемого объекта определяют зависимость интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения. Далее используют полученные калибровкой калибровочной поверхности зависимости интенсивности зарегистрированного излучения от номера изображения для точек калибровочной поверхности при ее различных расстояниях до поверхности, определенной как базовая, и для определения высоты рельефа поверхности контролируемого объекта, определяют расстояние от базовой поверхности до точки калибровочной поверхности, в которой зависимость интенсивности освещения от номера изображения в наибольшей степени подобна зависимости в исследуемой точке контролируемого объекта. Данное техническое решение предназначено для определения линейных размеров трехмерных объектов путем измерения искажений подсветок с разных сторон. Способ предполагает последовательное смещение измеряемой поверхности относительно источника освещения, что является существенным недостатком по отношению к задаче фотограмметрии плоского неподвижного ледового поля и разводий на нем в условиях ограниченных возможностей для расположения источников подсветок.
Техническим результатом предлагаемого способа является упрощение фотограмметрического способа картирования ледового поля в закрытом бассейне с одновременным значительным сокращении продолжительности его осуществления и увеличении точности получаемой карты ледового поля.
Технический результат достигается за счет заявляемого способа фотограмметрии ледового поля в ледовом бассейне, включающего последовательное формирование структурированной подсветки ледового поля, регистрацию изображений ледового поля с искаженной структурированной подсветкой и вычисление величины фактора искажения структурированной подсветки. При этом структурированную подсветку формируют в виде параллельных световых линий посредством, по меньшей мере, двух лазерных нивелиров, жестко закрепленных на опоре, установленной над ледовым полем с возможностью перемещения вдоль бассейна. Перспективные искажения структурированной подсветки регистрируют посредством закрепленного с возможностью перемещения над ледовым полем устройства фотофиксации. Для получения различных частей карты фотофиксацию структурированной подсветки производят устройством фотофиксации, выбор места расположения которого обеспечивает наличие на каждом изображении, по меньшей мере, двух световых линий и края опоры. Величину фактора искажения в виде угла α отклонения оптической оси устройства фотофиксации от горизонтали вычисляют из условия
где
– фокусное расстояние устройства фотофиксации, H – высота от центра объектива устройства фотофиксации до поверхности ледового поля. Далее согласно предлагаемому способу преобразуют изображения в зависимости от угла α, достигая параллельности световых линий. Фотофиксацию структурированной подсветки производят цифровым устройством фотофиксации и преобразуют полученные цифровые изображения ледового поля с искаженной структурированной подсветкой посредством программы для ЭВМ, разработанной авторами. При необходимости после упомянутого преобразования совмещают соседние трансформированные изображения для получения полной карты ледового поля. Опора, на которой закреплены нивелиры, может быть выполнена в виде поперечной балки, закрепленной на буксировочной тележке.
Технический результат достигается за счет использования структурированной подсветки в качестве координатных меток, в частности, лазерных координатных линий, в сочетании с выведенной авторами формулой вычисления угла наклона прибора фотофиксации относительно поверхности ледового поля.
Изобретение поясняется чертежами: на Фиг. 1 показана конструкция устройства для формирования структурированной подсветки поверхности ледового бассейна при помощи лучей лазерных нивелиров; на Фиг. 2 представлена схема отображения лазерных координатных линий на поверхности ледового поля (вид сверху); на Фиг. 3 – схема расположения устройства фотофиксации относительно поверхности ледового поля; на Фиг. 4 представлена схема пространственного проецирования области ледового поля на матрицу цифрового устройства фотофиксации.
Примером осуществления предлагаемого способа является эксперимент по картографированию канала от проводки модели судна сквозь ледовое поле в ледовом бассейне ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Устройство для формирования структурированной подсветки поверхности ледового поля состоит из опоры в виде балки 1, которая закреплена на буксировочной тележке 2 при помощи хомутов 3. На балке 1 при помощи кронштейнов 4 закреплены лазерные нивелиры 5, имеющие автономное питание от аккумуляторов. В частности, для бассейна шириной 10 метров [1] на балке 1 установлены шесть лазерных нивелиров 5, включая два нивелира на боковых границах ледового поля 6. Это соответствует расстоянию 2 метра между лазерными координатными линиями на поверхности ледового поля 6. Нивелиры 5 отбрасывают на ледовое поле 6 световые линии красного цвета, параллельные друг другу (Фиг. 2). Буксировочная тележка 2, расположенная поперек бассейна, перемещается по рельсам вдоль продольных стенок, ее положение относительно начала бассейна известно. Для фотофиксации изображений использована одна цифровая фотокамера 7 с прямоугольной матрицей размера  (ширина матрицы) и  (высота матрицы), и фокусным расстоянием . Фотокамера 7 закреплена на переносном штативе, установленном на буксировочной тележке 2.
Для осуществления способа измеряют высоту  от центра объектива до поверхности ледового поля 6. Цифровую фотокамеру 7 сначала выравнивают по плоскости, параллельной поверхности бассейна, а затем наклоняют для получения более детального изображения поверхности бассейна, как показано на Фиг. 3. Здесь α − угол наклона главной оптической оси объектива. При этом угол α подбирают так, чтобы край тележки 2 попал в нижний край кадра. Таким образом, видимый на изображении нижний край тележки становится поперечной координатной линией, которая служит для определения положения изображения относительно начала чаши ледового бассейна. Перемещая тележку 2 вдоль бассейна, производят фотофиксацию ледового поля, создавая тем самым серию цифровых изображений с частичным перекрытием области фотосъемки. При этом фотофиксацию выполняют так, чтобы на каждом из изображений в кадр попали, по меньшей мере, две лазерные координатные линии.
Далее определяют расположение световых линий на полученных цифровых изображениях. Для этого на RGB-изображениях используют контрастность этих линий по отношению ко льду и разводьям. На цифровом изображении выбирают пиксель, обладающий наибольшей интенсивностью красного цвета, вычисляемой по соотношению
,
R
где  – значение красного канала, – значение зеленого канала,  – значение синего канала для данного пикселя,  – результирующая интенсивность красного цвета. Далее методом разрастания границ [2] осуществляют разрастание границ лазерных координатных линий («разрастание по градиенту») с вычислением частных производных интенсивности при помощи оператора Собеля. Окончательно положение лазерных координатных линий на цифровом изображении уточняется при помощи линейной аппроксимации по множеству точек, полученных в результате разрастания области по градиенту.
На фиг. 4 положение лазерных координатных линий на матрице цифровой фотокамеры 7 обозначено  и , а соответствующих лазерных координатных линий на поверхности ледового поля 6 −  и . Расстояние между  и , измеренное по распознанным направляющим, обозначим , а расстояние между координатными линиями на ледовом поле − . Для определения положения линии неизмененного масштаба делают один снимок из положения матрицы фотоаппарата в плоскости , то есть, из положения, параллельного поверхности бассейна.
Вычисление угла α наклона фотокамеры 7 осуществляют по формуле
где
(Фиг.4).
После этого, зная значение α, приводят в соответствие каждой точке снимка точку поверхности ледового бассейна по формулам преобразования координат [3] при помощи их программной реализации функциями OpenCV (changePerspective и warpPerspective), таким образом, получая неискаженное изображение части поверхности ледового поля 6.
Далее получают поперечную полосу карты ледового поля 6 по линии края тележки 2, для чего в текущем положении тележки 2 последовательно выполняют: фотосъемку, процедуру цифрового распознавания координатных линий, отыскание угла съемки и получение неискаженного цифрового изображения для каждой из 5 пар соседних координатных линий (Фиг. 2), совмещение полученных цифровых изображений по координатным линиям. Полную карту всего ледового поля 6 получают совмещением соседних поперечных полос карты.
Литература
1. Timofeev O., Sazonov K., Dobrodeev A. New ice basin of the Krylov State Research Centre // Proceedings of the International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions. - 2015. - 8 p.
2. Pratt, William K. Digital Image Processing, 4th ed. Los Altos, California: PixelSoft Inc., 2007, 782 p.
3. Лобанов А.Н. Фотограмметрия. - М.: Недра. - 1984. - 552 с.