Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теории зрительного восприятия 11
1.1. Основные определения и положения 11
1.1.1. Свойства зрительного восприятия 14
1.1.2. Характерные признаки естественного видения 15
1.2. Закон сохранения искажений 15
1.3. Практическое построение различных вариантов перцептивной перспективы 16
Глава 2. Экспериментально-аналитические методы построения изображения трехмерных объектов па плоскости 23
2.1.Эксперименты по определению функции преобразования 23
2.2. Обработка экспериментальных данных 26
2.3.Анализ экспериментальных данных 32
2.4.0пределение шкалы зрительного восприятия 38
Глава 3. Отображение пространства оптико-электронными геодезическими приборами 41
3.1.Классификация геодезических приборов 43
3.1.1 .Теодолиты 43
3.1,2.Тахеометры , 44
3.1.3.Лазерные геодезические приборы 45
3.1.4.Спутниковое навигационное оборудование (GPS) 46
3.2. Выбор технического средства 47
3.3 .Программа связи 52
3.4.Определение метрологических характеристик 58
Глава 4. Естественное восприятие пространства оптическими (оптико-электронными) приборами с применением компьютерных технологий 63
4.1. Решение задачи естественного видения посредством оптической системы 63
4.2. Алгоритм формирования трехмерной модели естественного видения 66
4,2.1 Формирование аксонометрической проекции 67
4.2.2.Реализация алгоритма формирования трехмерной модели естественного видения ...68
4.3. Определение координат естественного видения в реальном времени 77
Глава 5. Постановка и решение прикладных задач 84
5.1 .Формирование изображения, соответствующего естественному видению человека 84
5.2.Оперативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства 87
5.2.1. Традиционная экспертная система 88
5.2.2. Цифровая экспертная система 92
Заключение 98
Список литературы 100
Приложения 106
- Закон сохранения искажений
- Обработка экспериментальных данных
- Выбор технического средства
- Алгоритм формирования трехмерной модели естественного видения
Введение к работе
Задачи оценки качества изображений возникают при проектировании интеллектуальных систем с техническим зрением, при анализе степени деградации граничных поверхностей различного рода технических устройств. В равной мере подобные задачи возникают в медицинской практике, в практике оценки предметов искусства, при формировании реалистичных 3D сцен.
Во всех перечисленных случаях доминирующую роль при решении задач оценки качества изображения играют как методы исследования, так и технические средства. При этом с одной стороны, необходимо решить вопрос разработки, выбора и модернизации устройств (приборов); и с другой стороны, обеспечить оперативные возможности оценки качества изображения.
Известен ряд программ исследований, в которых обозначены и решаются задачи оценки качества изображения. В области исследования космоса: проект NASA Tclerobotic Construction Challenge (создание интеллектуального робота), проект NASA LEMUR (создание робота для самостоятельного перемещения по внешней обшивке космической станции); совместная программа Европейского космического агентства (ЕКА) и российских ученых - робот-манипулятор «Дорес» для Международной космической станции (МКС). При анализе граничных поверхностей в чеканном производстве: проекты НИИ ГОЗНАК, Administration Dcs Monnaies et Medailies (Франция, Австрия), целевые исследовательские программы Microsystem Controls PTY. LTD (Австралия), Mars Incorporated (Великобритания, США).
Решение данной проблемы в рамках указанных программ предусматривает широкое использование компьютерных, математических, оптических технологий и определяет актуальность темы работы.
Целью диссертационной работы является разработка методов, алгоритмов и технических средств, а также критериев оценки качества изображения на основе теории естественного зрительного восприятия пространства.
Выполненный обзор по проблемам зрительного восприятия человеком пространства, теории шкал, компьютерного зрения позволяет сформулировать следующие основные задачи исследования:
Анализ проблемы и постановка задачи.
Разработка методов исследования отображения геометрии пространства зрительным анализатором на основе теории зрительного восприятия.
Постановка эксперимента в рамках теории. Вывод общих принципов и закономерностей.
Выбор технических средств определения геометрии пространства, классификация и анализ с точки зрения теории зрительного восприятия
Анализ существующих компьютерных технологий с целью выявления различных вариантов расширения возможностей для отображения пространства техническими средствами.
Построение шкалы зрительной восприимчивости и обоснование использования ее как характеристики качества изображения.
Практические решения задач, связанных с естественным отображением трехмерных объектов и пространства.
Научная новизна заключается в следующем:
Разработаны методика и технические средства формирования образа пространства, соответствующего естественному видению человека.
Разработана методика и технические средства анализа качества изображений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Разработка метода исследования в рамках теории зрительного восприятия.
Постановка эксперимента в рамках теории.
Выбор и модернизация технического средства с целью решения задач исследования.
Методика и средство определения координат естественного видения человека.
Формирование естественного образа пространства.
Разработка оперативной экспертной системы оценки качества изображения на монетах.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем.
Предложено техническое решение формирования изображения, соответствующего естественному видению человека, тем самым решена одна из задач адаптации зрения робота и зрения человека.
Определена шкала зрительной восприимчивости.
Реализована методика оперативной оценки продукции чеканного производства, в частности, решена задача оценки деградации поверхности монеты.
Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку более чем на 10 конференциях, в том числе: на девятом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006), на седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (СПб, 2005 г.), па Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов (с международным участием) «Робототехника, мехатроника и интеллектуальные системы» (Таганрог, 2005), на международной конференции «Интеллектуальные системы» AIS'06 (Геленджик, 2006), на VI Международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век» (СПб, 2006), на II и III конференциях молодых ученых СПбГУ ИТМО (СПб, 2005-2006).
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в журнале «Приборостроение», тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУ ИТМО, материалах указанных конференций.
Диссертационная работа изложена на 104 страницах и состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (85 наименований), а также включает два приложения (62 страницы).
Первые упоминания о методике формирования образа естественного видения принадлежат Леонардо да Винчи. Анализ описанной им методики построения перспективного изображения на плоскости показал, что она носит нелинейный характер построения. Общие рекомендации по соблюдению пропорций имеют также нелинейный характер.
Теории зрительного восприятия пространства посвящены работы таких ученых, как Н. Baravalle, М.В. Федоров, Л.В. Мочалов, Б.В. Раушенбах, Ю.П. Нагорнов.
В небольшой работе Н. Baravalle [82] обращалось внимание на то, что зрительное восприятие меняющейся удаленности не совпадает с фактическим ее изменением. В качестве причины предполагалось действие закономерности Вебера-Фехнера. М.В. Федоров [73] в своих работах сделал предположение о том, что отклонение от классических законов перспективы обусловлено интуитивным стремлением к естественной передаче пространства. М.В. Федоров проанализировал объем фактического материала, дал рекомедации и поправки к теории перспективы.
Но в работах и Н. Baravalle, и М.В. Федоров, авторы ограничились рассмотрение глубины пространства, оставив без внимания ширину и высоту.
В работах Л.В. Мочалова [50] показано, что анализ проблемы пространства в изобразительном искусстве предполагает комплексное изучение сложной и многосторонней задачи, в которой тесно связаны вопросы геометрии, цвета, композиции.
Ряд работ Б.В. Раушенбаха [62,63,64] посвящен разработке математических основ перспективного построения изображения, а также разработке общей теории перспективы и рассмотрению теории зрительного восприятия.
Методы перспективных изображений в архитектурном проектировании и композиция перспективных изображений рассмотрены в работах Ю.П. Нагорнова [54,55].
Осокиной Л.И. исследованы способы задания основных геометрических фигур и алгоритмы решения позиционных, аффинных и метрических задач в
частных вариантах метода двух изображений (линейной перспективы, аксонометрии, эпюре Монжа).
Проблемами механизма константности зрительного восприятия занимались Г. Мартиус, В. Вундт, Э. Геринг, Г. Гельмгольц. В работах данных авторов вопросы механизма константности зрительного восприятия рассматриваются в контексте офтальмологии, в ряде работ приводятся философские аспекты зрительного восприятия.
Механизм константности зрительного восприятия пространства, как составляющая общей теории зрительного восприятия изучался А.А. Смирновым, М.Н. Волокитиной [68].
Исследованиям свойств зрительного анализатора в области визометрии посвящены работы Г. Снеллена, Г. Ландольта, Ю.З. Розенблюма, Л.И. Айзенштата [65,72]. Помимо действия механизмов константности, они большое внимание уделяют разработке методов оценке остроты зрения. Г. Снеллен впервые предложил специальные таблицы для исследования остроты зрения. Г. Ландольтом разработан стандартный оптотнп. Ю.З. Розепблюм, Л.И. Айзенштат являются одними из авторов таблиц проверки остроты зрения.
В области современной офтальмологии можно выделить работы Е.И.Сидоренко [67], В.Ф. Даниличева [23], в которых рассматривается общее строение зрительного анализатора, методы, технические средства исследования органов зрения.
Известно практическое решение проблемы естественного зрительного восприятия посредством создания оптической системы: патент Н.Г.Кувшинова, В.И. Решетникова [43] на объектив обратной перспективы. В работах Н.Г.Кувшинова, В.И. Решетникова [44] графически и аналитически показана возможность построения оптической системы с переменным коэффициентом перспективы.
Естественность воспринимаемого объекта при проектировании зрительной трубы рассматривалась В.А. Зверевым [30].
A.M. Ковалевым [36] описан метод отображения объектов в сферической перспективе путем переноса миниатюрных сферических изображений объектов на ретину глаза с помощью вогнутого сферического зеркала.
Отдельно следует отметить работы Н.И. Лобачевского [47,32,47], связанные с геометрией пространства. В работах Н.И. Лобачевского представлены фундаментальные теоретические основы формирования видимой геометрии пространства. Функция, полученная Лобачевским, может быть использована в теории зрительного восприятия, что подтверждено экспериментами. В этом контексте с работами Н.И. Лобачевского имеют тесное соприкосновение работы Е.Бельтрами, Б.Римана.
В рамках фундаментальных исследований по теории измерений в работах И. Пфанцангля [60], С. Кумбса рассматривается теория шкал. Рассмотрены основные определения и положения теории, виды шкал, области применения тех или иных шкал.
Компьютерное зрение - одна из востребованных областей на современном этапе развития цифровых компьютерных технологий. Системы технического (компьютерного) зрения используются на производстве, при управлении роботами, в военных приложениях, при наблюдении со спутников и т.д. По системам компьютерного зрения известны работы Д.Форсайта, Ж.Понса [74], Л. Шапиро, Дж. Стокмана [75]. В работах этих авторов дается полное представление о компьютерном зрении, в частности, рассматриваются вопросы геометрических моделей камер, геометрии проекции, принципы формирования объемного изображения, оценка проекционной матрицы. Технология компьютерного моделирования изображений трехмерных сцен рассматривалась А.Ф. Прищепой и Ю.В. Соболевым [49]. Ими выделяются три основных этапа моделирования:
разработка математического описания;
расчет идеального энергетического портрета;
расчет модели и ее итогового размытого и зашумленного изображения.
Возможность восстановления структуры поверхности наблюдаемой сцены через оценку глубины сцены по картине полутонов изображений решена А.В. Корякиным [40].
Проблемы оценки качества изображения на монетах рассмотрены в работах И.Г. Спасского [69]. В его работах описаны основные принципы оценки продукции чеканного производства, рассматривается технология изготовления, приводится исторические справки. На решение вопросов оценки качества изображения на монетах направлен ряд работ А.А. Щелокова [77], но они носят рекомендательный характер и в большей степени нацелены на обеспечение сохранности монет. Проблемы оценки качества изображения на чеканном инструменте рассмотрены в работах Мусалимова В.М., Орлова СВ. [53].
Мехатронные аспекты автоматизации производственных процессов, контроля рассматриваются в работах М.М. Аршанского [3]. Рассмотрены основные положения мехатроники, вопросы проектирования мехатронных устройств.
Закон сохранения искажений
Закон сохранения искажений является одним из основных положений теории зрительного восприятия. Он гласит: сумма ошибок передачи подобия, масштаба и глубины остается одной и той же во всех распространенных на практике случаях (1).где АР- ошибка передачи подобия, AM- ошибка передачи масштаба, AG-ошибка передачи глубины.
Закон сохранения искажений имеет большое практическое значение. Он позволяет, например, пожертвовать корректностью отображения подобий для одновременного уменьшения ошибок масштаба и глубины. Важно и то, что, согласно общей теории перспективы, существует такое фокусное расстояние, которое позволяет отображать реальность с нулевой ошибкой масштаба AM (в фотографии - идеальный портретник), при этом доля ошибки подобия АР и ДО глубины возрастает.
Зрительное восприятие человека необходимо рассматривать как двухступенчатый процесс:1. формирование сетчаточного образа;2. воссоздание объемного изображения на основе сетчаточного образа. Сетчаточный (ретинальный образ) не содержит информации о расстояниидо объектов. Для построения трехмерного пространства зрительного восприятия (перцептивного пространства) необходимо привлечение дополнительной информации. Оценка расстояний до объектов пространства происходит на основе признаков глубины [68,72], которые можно разделить на: монокулярные; бинокулярные.
К монокулярным признакам можно отнести: перекрытие одним объектом другого, уменьшение размеров объекта на сетчатке по мере удаления, действие воздушной перспективы, система теней, двигательный параллакс.
К бинокулярным признакам относятся: конвергенция - поворот оптических осей глаз (оценивается по величине напряжения глазных мышц), диспараитность - различие изображений на сетчатке правого и левого глаза по причине разнесенных оптических осей.
В отдельную группу выделяются осязательно-кинестетическиепредставления, представления человека об окружающем пространстве на основе его опыта контактов с окружающей средой.
При построении изображения объемного объекта на плоскости действительные параметры могут быть описаны иными параметрами, плоскостными (рис.4).
Согласно закону сохранения искажений [14,64] невозможно передать все параметры объекта без искажений. В связи с этим возможны различные варианты научной системы перспективы, учитывающей закономерности естественного восприятия. Для классификации [64] различных вариантов перспективы поступим следующим образом. За основу возьмем изображение ребра В (рис.5).
Если отрезок изображен правильно (т.е. с учетом закономерностей естественного восприятия), то обозначим такой вариант перспективы 1. Если он изображен без учета закономерностей естественного восприятия, то обозначим вариант перспективы 0.
Возможны и промежуточные варианты. Варианту перспективы 0.5 будет соответствовать изображение ребра В и ребра С с равным учетом правильности передачи (рис.6).
Рассмотрим возможные варианты изображения ребра Л. Если передать ребро С правильно, то ребро В правильно передать невозможно. Ребро А
передадим также без искажений. Получим изображение куба представленное на рис.7. Куб растягивается вдоль ребра В.
Для придания кубу более естественного вида можно исказить ребро А -сделать его таким же, как ребро В. Куб отображается более естественно, но увеличивается в размерах (рис.8).
Если передать с ошибкой ребро С, то искажения менее заметны (рис. 9) Введем классы перцептивной перспективы. I класс перцептивной перспективы соответствует ситуации, когда ребро А передается правильно, т.е. с учетом закономерностей естественного восприятия. II класс обозначает, что сохраняется подобие в изображении фронтальной грани.
Таким образом, возможны следующие предельные случаи: 1. [1;0]- правильно передается ширина и глубина Для того чтобы количественно оценить искажения или внести коррективы в плоское изображение трехмерных объектов вводится функция F(L). Она выполняет роль поправочного коэффициента, т.е.:где .V- видимый параметр объекта, S\- параметр сетчаточного образа.Поскольку местположение точки в пространстве определяется тремя координатами x,y,z, а механизмы искажений действуют по трем координатным осям (закон сохранения искажений), то очевидно существование трех поправочных коэффициентов или трех функций преобразования Fl(L),F2(L)J-3(L).Введем понятие расстояния естественного видения 1((. Это расстояние,на котором геометрические параметры (в частности ширина) видны наиболее естественно (с минимальными искажениями). Тогда получаем:
Это означает, что объект воспринимается без искажений. Очевидно, величина Ln для каждого объекта различна и зависит от размеров наблюдаемого объекта.1. Рассмотрены основные определения и закономерности теории зрительного восприятия.2. Приведены свойства зрительного восприятия.
Обработка экспериментальных данных
Данная функция используется нами в качестве адекватной функции преобразования. В качестве функции преобразования также возможно использовать функцию Лобачевского [28,32,47]. В общем виде функция Лобачевского имеет следующий вид: Из графика (рис.21) видно, что функция (16) имеет аналогичный характер зависимости, с незначительным отклонением в области 5- 20м.При расчете функции Бельтрами [32,34] также были получены положительные результаты. Координата х (функция Бельтрами) определяется следующим образом:
Гиперболические функции носят аналогичный характер зависимости, хотя имеют большую величину расхождения с экспериментальными данными в области до 30м. На рис.23
Анализ рассчитанной на основе экспериментальных данных функции преобразования (рис.6) позволяет сделать вывод о пригодности предложенных выше функций для описания рассчитано средне квадрати ческое отклонение (СКО) [39] экспериментальных данных (табл.3):Теория шкал используется в данной работе с целью определения і и калы зрительного восприятия.Исходя из определения зрительного восприятия, зрительный образ формируется мозгом. Первичной информацией для зрительного анализатора является информация, поступающая из объективного пространства (или эмпирического пространства).
Эмпирическое пространство представляет собой совокупность множеств эмпирических объектов. Очевидно, что объекты, внутри определенного множества, связаны между собой определенными отношениями [56,60].
Множество объектов, с заданным на нем множеством отношений будет представлять собой систему с отношениями (со.). Система с отношениями, элементами которой являются эмпирические объекты и отношения установлены эмпирическим путем, является эмпирической системой с отношениями (э.с.о.). Отношения элементов могут быть различными. Известны унарные, бинарные, тернарные отношения. Существуют отношения эквивалентности, конгруэнтности, порядка. Следует отметить, что множество эмпирических объектов может определяться не только отношениями, но и операциями. Например, «система с отношениями, где все отношения представляют собой операции, называется алгеброй ». Если отношения представляют собой множество действительных чисел, то такая система называется числовой системой с отношениями (ч.с.о.).
Процедуру отображения первичной информации можно рассмотреть на примере фотографии. Цифровая фотография (классическая фотография) является отображением окружающего пространства, предмета или группы предметов. Процесс фотографирования заключается в отображении пространства или предмета (эмпирической системы с отношениями) в .матрицу элементов (числовую систему с отношениями). Полученный массив создает образ пространства или предмета. Элементы эмпирической системы с отношениями, или иной исходной системы с отношениями являются прообразами, а элементы числовой системы с отношениями, на которую происходит отображение, будут образами или значениями отображения. Соответственно исходное множество будет прообразом, а множество, на которое отображают, образом. Если при отображении, у образа один прообраз, то такое отображение называется взаимно однозначным.
Измеряя, например, геометрические параметры некоего объекта, необходимо отобразить эмпирическую систему с отношениями этих параметров на числовую систему с отношениями. При этом обязательно сохранить отношения между параметрами, т.е. отображение должно быть гомоморфно [2J. Частным случаем гомоморфизма является изоморфизм. Изоморфизм - взаимно однозначный гомоморфизм.
Приводится определение прямой и обратной задачи измерения на примере решения геодезических задач [5,35]. Прямой задачей измерения является получение необходимой и достаточной информации о состоянии эмпирической системы с отношениями. При проведении геодезической съемки местности исследуемая территория представляет собой эмпирическую систему с отношениями. Информация об этом объекте исследования будет представляться в виде координат реперных точек, которые связаны между собой определенными отношениями. Количество точек зависит от выполняемой задачи. Требуется синтезировать соответствие между эмпирической системой с отношениями и числовой системой с отношениями. В геодезии известна и обратная задача. Имеется массив координат точек, которые являются реперными точками сооружения. Необходимо «вынести их в натуру», т.е. отобразить их из числового массива (числовой системы с отношениями) в пространство (эмпирическую систему с отношениями). Отображение должно быть гомоморфным. Правила, позволяющие решить данные задачи, представляют собой шкалу. Шкала - гомоморфизм неприводимой э.с.о. в числовую со.. Для решения различных задач требуются и различные шкалы [48].
Выбор технического средства
Прибором, отвечающим основным требованиям (возможность выполнять процедуру визирования (наведения) на объект с непосредственным использованием зрительного анализатора, возможность оперативно определять координаты точек пространства, возможность связи с ПК) для решения ряда поставленных задач диссертационной работы, является электронный тахеометр.
Электронный тахеометр [5,7] позволяет оперативно определить координаты пространства и передать их в ПК. Конструктивно тахеометр (рис.26) сочетает кодовый теодолит с электронным дальномером. Этот прибор обеспечивает цифровую индикацию измеряемых величин: горизонтальных и вертикальных углов, наклонных расстояний, горизонтальных расстояний, превышений, а также выполняет автоматическую регистрацию результатов измерений на различные виды носителей информации. Эти первичные измерения служат основой для последующих вычислений, производимых встроенным или внешним контроллером. Точность измерения определяют блоки или модули измерения углов, расстояний и модуль компенсатора (модуля автоматической коррекции угла наклона вертикальной оси прибора).
Угловые измерения, как правило, лимитируются точностью 1", а линейные — 1 mm + 1 ppm (ppm - атмосферная поправка). Более высокая точность, заявляемая в характеристиках тахеометров отдельных производителей, практически не достижима при обычных работах и условиях из-за влияния окружающей среды и ошибок центрирования и наведения. Точность измерения наиболее распространенных тахеометров, как правило, 5-6" для угловых измерений и 3 мм + 3 ррт для линейных. Для соблюдения ТОЧНОСТИ угловых измерений важен диапазон компенсации влияния углов наклона вертикальной и горизонтальной осей (как правило, ±5 или ±3 ). На рис. представлен внешний вид тахеометра и отмечены его основные конструктивные элементы.
Для определения координат, помимо углов необходимо определить расстояние до точки. Различают следующие методы измерения расстояния: 1. импульсный, использующий импульсное излучение, с измерением непосредственно времени распространения импульса; 2. интерференционный, использующий непрерывное излучение без модуляции, с регистрацией результата непосредственной интерференции опорной и отраженной волн; 3. фазовый, использующий непрерывное или импульсное излучение с модуляцией гармоническим сигналом или непрерывное излучение без модуляции, с измерением разности фаз излучаемых и принимаемых колебаний на модулирующей или несущей частоте; при импульсном излучении метод называется импульсно-фазовый; 4. частотный, использующий непрерывное или импульсное частотно-модулированное излучение с измерением мгновенных частот излучаемых и принимаемых колебаний.
На рис.28 представлена принципиальная схема дальномерного блока тахеометра. В работе использовался тахеометр фирмы Sokkia [81J - модель SET530R. Это тахеометр безотражательный, т.е. данный прибор позволяет измерять расстояние до объекта без специальных технических средств (отражатель, отражающая пленка) до 100 м. В табл.7 приведены основные технические характеристики.
Таким образом, на основании анализа и разработанной классификации современных геодезических средств, выбран прибор, удовлетворяющий требованиям в рамках данного исследования - тахеометр. Данный прибор позволяет выполнять процедуру визирования, оперативно определять координаты, передовать информацию в ПК.
Для автоматизации обработки результатов измерений необходимо обеспечить связь прибора с компьютером. К средствам связи можно отнести: программное обеспечение (как прибора, так и внешнего устройства) собственно средства связи (кабели, инфракрасные порты, модемы) Существующие на сегодняшний день программное обеспечение связитахеометра и персонального компьютера ограничивает возможности последующей обработки данных, поскольку является узконаправлепным продуктом (передача данных из тахеометра в ПК осуществляется в определенном формате) для решения конкретной геодезической задачи.
Средства связи [24] представляет собой совокупность программного обеспечения, линий связи, портов. У ПК существует ряд стандартных устройств соединения - портов. В настоящее время, наиболее распространенным для связи внешних инструментов с ПК является USB-порт. USB-порт и Corn-порт обеспечиваются схожими программными средствами, изначально созданными для Сот-порта.Задача связи тахеометра и ПК заключается в разработке программного обеспечения для ПК. Тахеометр имеет свое программное обеспечение с готовым модулем связи.
Разработан алгоритм программы связи тахеометра и ПК (рис.29). На основании разработанного алгоритма создано программное обеспечение для информации. Следует отметить, что, применяя программное обеспечение связи, разработанное в рамках данного исследования, мы получаем на ПК первичную информацию:1. значение вертикального угла;2. значение горизонтального угла;3. расстояние до точки объекта.
Это позволяет разработать и реализовать алгоритмы последующей обработки информации о геометрии пространства. При этом мы получаем возможность обработки информации в режиме реального времени, в необходимом для нас формате.
Для соединения устройств с компьютером через СОМ-порт необходимо задать следующие параметры:1. Стоповый бит (stop bit)2. Четность (parity)3. Длину структуры DCI3 (DCBlength)4. Скорость передачи данных (BaudRate)5. Двоичный режим обмена (fBinary)6. Режим контроля четности (fParity)7. Режим слежения за сигналом CTS (fOutxCtsFlow)8. Режим слежения за сигналом DSR (fOutxDsrFlow)9. Режим управления обменом для сигнала DTR (fDtrControI) Ю.Чувствительность коммуникационного драйвера к состоянию линии DSR(fDsrSensitivity) 11.Контроль переполнения системного буфера и передачи символа XoffChar(fTXConlinucOnXoff) 12.Режим использования XON/XOFF управления потоком при передаче(fOutX) 13.Режим использования XON/XOFF управления потоком при приеме (ПпХ) 14.Режим замены символов с ошибкой четности (fErrorChar) 15.Действие при приеме нулевого байта (fNul)) 16.Режим управления потоком для сигнала RTS (fRtsConlrol)
Алгоритм формирования трехмерной модели естественного видения
Для формирования модели, соответствующей образу естественного восприятия объекта, был разработан алгоритм [11,14,15] (рис.43). Данный алгоритм был реализован в виде программы. При написании программы использовался язык программирования Delphi.:1. преобразование исходных координат2. построение аксонометрической проекции модели
Сначала рассмотрим построение аксонометрической проекции модели на плоскости дисплея ПК. 4.2.1. Формирование аксонометрической проекции
Для получения аксонометрической проекции на экране дисплея необходимо определенным образом сориентировать модель объекта относительно экрана дисплея, т.е. относительно плоскости проекции [17,76]. Матрица Мх, описывающая вращение вокруг оси X:где 0- угол поворота модели вокруг оси X.
Удобно работать с матрицей, описывающей вращения вокруг двух осей: Новая матрица /", содержит значения координат всех точек всех сечений,причем модель сориентирована относительно экрана так, что, выполняя ее ортогональную проекцию, на экране получим изометрическое изображение объекта. Из трехмерного пространства аксонометрическое изображение на плоскость может быть получено ортогональным проектированием с помощью матрицы Т:
Если плоскость проекции есть плоскость экрана, то нужно принять n = 0. Теперь остается только выполнить эту процедуру:
Элементы матрицы I являются координатами всех точек па плоскости экрана и дают картину изометрической проекции нашей модели на экране. Это точечное изображение. Соединив соответствующие точки отрезками прямых, получим изображение каркасной (проволочной) модели объекта на плоскости экрана дисплея (рис.44).
Алгоритм представленный на рис.43 был реализован в виде программного обеспечения. При запуске программы попадаем в основное диалоговое окно программы, представленное на рис.45.
Данная программа использует для расчетов уже готовый файл с координатами. Выбор файла можно осуществить либо при помощи кнопки «Обзор», либо указать путь к файлу в окне «Файл с координатами» (рис. 46).
Данные будут сохранены в рабочем файле. После того как произведена съемка объекта, в меню «Память» необходимо выбрать «Файл работы» (рис.49 ), а затем пункт «Экспорт данных» (рис.50).
При наличии флажка в окне «строить точками» (рис.55) модель будет построена точками. Если же флажок убрать будет построена каркасная модель. Выбор режима построения обусловлен предъявляемыми к модели требованиями.
На основном диалоговом окне выделены три области данных. Область «исходные данные» (рис.56) представляет собой содержимое файла с исходной моделью. Данные отображаются в виде четырех столбцов: координата X, координата Y, координата Z, расстояние до точки объекта S. Таким образом, мы имеем всю необходимую информацию для определения координат модели естественного видения.
Графические результаты работы программы [11,14] представлены на рис.61: а - исходная модель в классической перспективе и б - модель преобразованная в нелинейную (перцептивную) перспективу). Таким образом, преобразуя исходный образ, получаем модель естественного восприятия объекта зрительным анализатором человека, при этом, исключая искажения присущие работе мозга.J Обработать данные Рис.62. Завершение работы с программой
Разработана программа для определения действительных координат, координат соответствующих естественному видению человека (координат Раушенбаха) [62,63,64], которая также позволяет определить отклонение от действительных.Данная программа использует первичную информацию (вертикальный и горизонтальный углы, расстояние до объекта), полученную с тахеометра, для расчета пространственных координат и координат естественного видения человека. Для обеспечения связи тахеометра и персонального компьютера используется модем-программа, описанная в главе 3. Данная программа работает с текущими координатами, т.е. те координаты, которые определяются в текущий момент тахеометром, и будут преобразовываться в координаты естественного видения.На рис.63 представлен внешний вид программы. Основное диалоговоеокно имеет две вкладки: вкладка «действительные координаты» и вкладка
