Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ методов и устройств калибровки оптико-электронных устройств
1.1 Методы калибровки оптико-электронных устройств 12
1.2 Устройства калибровки оптико-электронных устройств 21
2 Математическая модель адаптивного оптико- электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
2.1 Математическая модель ввода изображения 26
2.2 Математическая модель яркостной нормализации изображения 28
2.3 Математическая модель выделения контуров 32
2.4 Математическая модель калибровки фокусных расстояний оптических систем оптико-электронных датчиков
2.5 Математические модели определения и коррекции дисторсии оптической системы оптико-электронного датчика
2.6 Математическая модель калибровки угловых отклонений установочного положения оптико-электронных датчиков
2.7 Математическая модель калибровки линейных отклонений установочного положения оптико-электронных датчиков
3 Анализ точностных характеристик и синтез адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.1 Точность адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.1.1 Точность калибровки фокусных расстояний 59
3.1.2 Точность калибровки угловых отклонений оптико-электронных датчиков оптико-электронного устройства
3.1.3 Точность коррекции радиальной дисторсии оптической системы оптико-электронного датчика
3.2 Адаптация оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.2.1 Параметрическая адаптация оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.2.2 Структурная адаптация оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.2.3 Алгоритмическая адаптация оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.3 Разработка адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
3.3.1 Методы калибровки оптико-электронного устройства 94
3.3.2 Высокоточное адаптивное оптико-электронное устройство автоматической трехмерной калибровки
3.3.2.1 Микропроцессорное оптико-электронное устройство калибровки оптико-электронного датчика
3.3.2.2 Оптико-электронное устройство калибровки оптико-электронного датчика на программируемой логической интегральной схеме
3.3.2.3 Оптико-электронное устройство адаптивной трехмерной калибровки
3.3.2.4 Устройство коррекции радиальной дисторсии 113
3.4 Инженерные методики построения адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки и коррекции радиальной дисторсии
4 Экспериментальные исследования адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки
4.1 Аппаратно-программный стенд для проведения испытаний высокоточного оптико-электронного устройства трехмерной калибровки
4.2 Методика проведения испытаний высокоточного оптико-электронного устройства трехмерной калибровки
Заключение 133
Список использованной литературы
- Устройства калибровки оптико-электронных устройств
- Математическая модель яркостной нормализации изображения
- Точность калибровки угловых отклонений оптико-электронных датчиков оптико-электронного устройства
- Методика проведения испытаний высокоточного оптико-электронного устройства трехмерной калибровки
Введение к работе
Актуальность работы. Развитие науки, промышленности и народного хозяйства характеризуется повсеместным внедрением и использованием реализующих функцию трехмерного восприятия бинокулярных оптико-электронных устройств (ОЭУ), используемых в системах управления различными технологическими процессами. Качественные и эксплуатационные показатели функционирования ОЭУ зависят от того, насколько точно оно настроено. Из-за погрешностей при установке оптико-электронных датчиков (ОЭД), отклонений в их оптических системах (ОС) процесс формирования изображения сопровождается искажением геометрических форм исследуемых объектов, неточностью передачи яркости и другими погрешностями ОЭУ.
Одним из путей снижения погрешностей ОЭУ является использование устройств трехмерной калибровки, обеспечивающих приведение значений параметров ОЭУ, влияющих на точность формирования изображения, к эталонным. Существующие методы и устройства не обеспечивают необходимой точности калибровки или требуют вмешательства оператора для высокоточной трехмерной калибровки ОЭУ. В то же время, априорная неопределенность изображений, вызванная нестабильностью условий среды функционирования ОЭУ, вызывает необходимость адаптации ОЭУ трехмерной калибровки. Создание на основе нечеткой логики методов и устройств трехмерной калибровки позволяет в автоматическом режиме повысить точность калибровки. В связи с этим актуальной научно-технической задачей является разработка методов и устройств трехмерной калибровки, основанных на нечеткой логике, обеспечивающих калибровку ОЭУ с необходимой точностью в автоматическом режиме.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с грантами для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов высших учебных заведений Минобразования России № АОЗ-3.16-57 «Разработка принципов построения, алгоритмического обеспечения и основ теории построения высокоточных адаптивных оптико-электронных устройств трехмерной калибровки на базе нечетких множеств», № А04-3.16-677 «Разработка способов адаптации и повышения точностных параметров систем технического зрения на основе нечеткой логики».
Цель работы: разработка методов, алгоритмов и построение на их основе адаптивных оптико-электронных устройств автоматической трехмерной калибровки, повышающих точность формирования изобоажения.
В соответствии с этим в работе решаются следующие основные задачи:
1) обоснование необходимости разработки новых методов и алгоритмов автоматического повышения точности ОЭУ;
2) разработка математической модели адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки и создание на ее базе новых методов и алгоритмов повышения точности формирования изображения ОЭУ на основе нечеткой логики;
3) исследование вопросов адаптации ОЭУ трехмерной калибровки с целью улучшения его технических характеристик;
4) разработка адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются проективная и вычислительная геометрии, теория распознавания образов, теория нечеткой логики, обработка и анализ дискретных изображений, математический анализ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) обоснована необходимость создания методов и оптико-электронных устройств трехмерной калибровки на основе нечеткой логики, позволяющих калибровать ОЭУ в автоматическом режиме и повышающих точность формирования изображения;
2) разработана математическая модель адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки, позволившая создать метод и
6 алгоритмы автоматической калибровки ОЭУ;
3) разработаны математическая модель и метод, обеспечивающие автоматическое определение и коррекцию радиальной дисторсии при неизвестных параметрах элементов оптической системы;
4) разработаны методика проведения экспериментальных исследований и схемы ОЭУ трехмерной автоматической калибровки, использующих нечеткую логику для автоматического повышения точности формирования изображения.
Практическая ценность работы состоит в следующем: - развиваемые в диссертационной работе новые методы автоматической калибровки ОЭУ позволяют создать ряд имеющих важное народнохозяйственное значение адаптивных ОЭУ, которые могут применяться в системах управления для широкого круга задач, связанных с проведением высокоточных измерений в вычислительной технике, приборостроении, медицине, навигации и ориентации; - проведенный теоретический анализ факторов, влияющих на точность калибровки, обеспечивает оптимальный выбор параметров адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки; - разработанный метод определения и коррекции радиальной дисторсии позволяет корректировать на аппаратно-программном уровне искажения изображения без введения корректирующих линз и осуществлять контроль влияния радиальной дисторсии без разбора оптической системы на составляющие ее элементы; - созданы адаптивное оптико-электронное устройство автоматической трехмерной калибровки, оптико-электронное устройство статической калибровки и устройство коррекции радиальной дисторсии.
Основные результаты, полученные в теоретической части диссертации, доведены до уровня инженерных формул, алгоритмов и методик, что позволяет их использовать при проектировании оптико-электронных устройств различного назначения.
На защиту выносятся:
1. Математическая модель адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки, основанная на нечеткой логике.
2. Метод и алгоритм адаптивной трехмерной калибровки ОЭУ.
3. Метод автоматического определения и коррекции радиальной дисторсии ОС ОЭД.
4. Адаптивное оптико-электронное устройство автоматической трехмерной калибровки и устройство коррекции радиальной дисторсии.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на международных и российских конференциях: "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (г. Судак, 2001, 2002, 2003, 2004 гг.), "Распознавание - 2001, 2003" (г. Курск, 2001, 2003 гг.), "Медико-экологические информационные технологии - 2000, 2001, 2002, 2005" (г. Курск, 2000, 2001, 2002, 2005 гг.), «Молодежь и XXI век» (г. Курск, 2004 г.), «Новые информационные технологии» (г. Москва, 2001 г.), «Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии» (г. Великий Новгород, 2002 г.), «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2001 г.), «Телевидение -2002, 2004, 2005» (г. Санкт-Петербург, 2002, 2004, 2005 гг.), «Современные техника и технологии» (г. Томск, 2003 г.), «Интеллектуальные и информационные системы» (г. Тула, 2004 г.), «Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems» (Испания, г. Барселона, 2004 г.), «Всероссийская конференция по проблемам математики, информатики, физики и химии» (г. Москва, 2004, 2005 гг.); на научно-технических семинарах кафедры «Вычислительная техника» Курского государственного технического университета с 2002 по 2005 гг.
Результаты работы внедрены в ОАО «Сахпроект» г. Курска, в Орловской и Курской областных клинических больницах, в ООО «Специализированное строительное управление» г. Курска и используются в s учебном процессе Курского государственного технического университета. Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации. Совместно с компанией «Самсунг» подается международная заявка на изобретение.
Публикации. Основные результаты проведенных исследований и разработок опубликованы в 40 печатных работах, в том числе 11 статьях, 5 из которых в журналах, рекомендованных ВАК, в соавторстве написаны монография, учебное пособие с грифом УМО. Получены 2 патента на изобретения, на рассмотрении находятся 3 заявки на изобретения (приоритеты №2004104494 от 16.02.04, №2005105716 от 1.03.05, №2005105717 от 1.03.05).
В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателем предложены: в [49, 52, 57, 71, 109, ПО, 111] - основные принципы функционирования и структурные схемы устройств калибровки, метод автоматической адаптивной трехмерной калибровки, в [34, 53, 54, 59, 76, 84, 85, 86, 99, 101, 102] - методы калибровки ОЭУ, в [65, 66, 67, 70, 71] - метод автоматической коррекции и контроля монохроматических аберраций оптической системы, в [41, 47, 50, 51] — математическая модель и метод автоматического получения детализированных изображений исследуемых объектов ОЭУ с объективами с переменными фокусными расстояниями, [31, 35, 37, 112] - нечеткая математическая модель предобработки изображений, обеспечивающая повышение точности калибровки, [58] - алгоритмическое обеспечение и основі.і теории построения высокоточных адаптивных ОЭУ трехмерной калибровки на базе нечетких множеств, [103, 104, 105] - метод автоматической калибровки, использованный для повышения точности системы прогнозирования развития заболеваний.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, изложена на 148 страницах и поясняется 35 рисунками и 14 таблицами.
1 АНАЛИЗ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КАЛИБРОВКИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
В настоящее время в различных областях науки и промышленности в системах управления применяются ОЭУ, реализующие функцию трехмерного технического зрения, выполняющие автоматическое наблюдение за участком пространства. Для обеспечения функционирования подобных ОЭУ с заданной точностью необходима их предварительная настройка и коррекция возникающих в процессе работы отклонений параметров ОЭУ. Для коррекции отклонений и обеспечения заданной точности ОЭУ применяются методы и устройства калибровки.
Для определения основных подходов, используемых при калибровке, и выявления их особенностей рассмотрим описанные в патентных документах существующие устройства и способы калибровки, а также устройства и способы, элементы которых могут быть применены при калибровке ОЭУ (таблица 1.1).
Таблица 1.1 - Устройства и способы, применяемые при калибровке ОЭУ
Продолжение таблицы 1.1
11 Продолжение таблицы 1.1
В результате анализа таблицы 1.1 установлено: в существующих способах и устройствах, которые могут быть использованы при калибровке ОЭУ, калибровка проводится на основе определения параметров ОЭУ по изображению специально изготовленного или формируемого при помощи дополнительных устройств эталонного объекта, что неизбежно приводит к дополнительным погрешностям при определении калибруемых параметров ОЭУ; в большинстве устройств и способов сопоставление точек на разных кадрах стереоизображения производится оператором, что исключает проведение автоматической калибровки бинокулярного ОЭУ; калибровка должна быть основана только на определении параметров ОЭУ по изображению, поступающему с оптико-электронных датчиков, без использования других видов датчиков, вносящих дополнительные ошибки при определении параметров.
Перейдем к рассмотрению существующих методов и устройств калибровки ОЭУ, описанных в научно-технической литературе.
Устройства калибровки оптико-электронных устройств
В [17] предлагается устройство определения параметров калибровки ОЭД, работа которого основана на использовании в качестве эталонного объекта правильных шестиугольников, расположенных вертикально друг над другом во взаимно параллельных плоскостях. Приводится алгоритм нахождения отклонений внутренних параметров ОЭД от эталонных и определения внешних параметров изображения. Для решения задачи калибровки предлагается использовать установку, которая позволяет плоскопараллельно перемещать ОЭД с высокой степенью точности.
Эталонный объект используется для установления соответствия между точками плоскости и изображения. С помощью установки проводятся снимки эталонного объекта с разных дистанций, при этом оптическая ось остается параллельной самой себе. С учетом последнего факта проводится расчет положения оптической оси. Согласно расчетной схеме, если ОЭД закрепить стационарно, а предметную плоскость с калибровочным объектом устанавливать в различных положениях, то можно сформировать массив точек в предметной системе координат. Прямая, аппроксимирующая этот массив точек, определяет положение оптической оси объектива относительно корпуса ОЭД. Вторым способом определения положения оптической оси объектива относительно корпуса ОЭД является способ, при котором точка оптического центра остается постоянной, а меняется только положение предметной плоскости. Это осуществляется перемещением ОЭД по направляющим таким образом, чтобы оба изображения шестиугольника имели четкие границы при неизменном положении оптического центра до картинной плоскости (то есть дистанция перемещений должна быть таковой, чтобы оба снимаемых объекта находились в пределах одной глубины резкости).
Практическая реализация устройства калибровки затруднительна и не обеспечивает достаточной точности параллельности шестиугольников, что существенно снижает точность калибровки. Отсутствие каких-либо устройств для автоматического устранения рассчитанных отклонений вызывает необходимость ручного вмешательства.
Оптико-электронное устройство распознавания и ориентации объектов [18], состоящее из ОЭД, микропроцессорного контроллера и блока ориентации ОЭД, может быть использовано для автоматической калибровки. Недостатком является настройка устройства только для работы с плоскими объектами, что снижает область его применения и не позволяет достигать высокой точности калибровки при работе с объемными объектами.
Двумерное ОЭУ, реализующее функцию автоматической установки видимой области [19], обеспечивает повышение точности определения параметров калибровки путем использования ОЭД, снабженного контроллером, смещающим при помощи устройства ориентации ОЭД до тех пор, пока не будет достигнуто заданное значение координат. Изображение эталонного объекта поступает с ОЭД через устройство ввода в микропроцессорный контроллер, где происходит вычисление значений параметров калибровки, далее значения параметров калибровки передаются на контроллер, предназначенный для управления и контроля устройства ориентации. Устройство ориентации, состоящее из нескольких двигателей изменяет положение ОЭД в пространстве на заданное значение. Устройство калибровки [19], предназначенное для калибровки и позиционирования ОЭД, обладает большей точностью, чем устройство [18], но ориентировано на работу с плоскими объектами.
В работе [20] для калибровки стереофотограмметрических систем предложено использовать искусственную нейронную сеть, позволяющую калибровать ОЭУ для работы с объемными объектами.
Устройство состоит из стереофотограмметрической системы, содержащей два регистрирующих ОЭД — левый и правый, плоского эталонного объекта в виде контрольных точек, расположенных равномерно на параллельных вертикальных и горизонтальных линиях. Эталонный объект может перемещаться вдоль направления перпендикуляра к нему. Процесс калибровки производится следующим образом. Эталонный объект помещают в близкое положение к ОЭД в той области рабочей сцены, где предполагается выполнение основной задачи ОЭУ. Производят серию снимков эталонного объекта при его перемещении с фиксированным шагом через область рабочей сцены. На снимках измеряют координаты точек. Каждой контрольной точке приписывают определенное положение в прямоугольной правой системе координат, в которой началом является нижняя левая контрольная точка при начальном положении калибровочного объекта, направление вертикальной оси параллельно направлению перемещения калибровочного объекта, направление горизонтальной оси параллельно горизонтальным линиям контрольных точек. Составляют обучающую выборку для искусственной нейронной сети. Процесс калибровки заканчивают обучением искусственной нейронной сети по полученной обучающей выборке.
Данное устройство ориентировано на работу с объемными объектами, но процесс калибровки занимает длительное время вследствие необходимости многократного перемещения эталонного объекта. Указание трехмерных координат точек калибровочной сетки при формировании обучающей выборки требует их определения какими-либо другими методами, что также существенно ограничивает область его применимости и не позволяет использовать при автоматической калибровке.
Таким образом, актуальной остается задача разработки высокоточного адаптивного оптико-электронного устройства автоматической трехмерной калибровки, предназначенного для работы с объемными объектами, калибрующего по всем необходимым параметрам и способного работать в автоматическом режиме. В качестве базовых узлов ОЭУ калибровки выбраны ОЭД на базе приборов с зарядовой связью, микроЭВМ и микросхемы программируемой логики, обеспечивающие наряду с высокой скоростью выполнения операций уменьшение массогабаритных параметров ОЭУ.
Анализ существующих методов и устройств калибровки оптико-электронных устройств позволил определить основные принципы построения высокоточного адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки. Сформулируем требования, предъявляемые к методам и устройствам калибровки: разрабатываемые методы калибровки должны обладать высокой точностью, автоматическими определением и коррекцией всех необходимых параметров ОЭУ; разрабатываемое ОЭУ трехмерной калибровки должно осуществлять калибровку внешних и внутренних параметров с высокой точностью и работать в автоматическом режиме; наиболее предпочтительным математическим аппаратом, используемым для разработки методов калибровки, является теория нечеткой логики [21,22], позволяющая создать методы калибровки, ранее не осуществимые без участия оператора.
В результате проведения патентного поиска и обзора литературы проанализированы методы калибровки, позволившие сформировать требования к методам и устройствам калибровки и разработать математическую модель функционирования адаптивного ОЭУ автоматической трехмерной калибровки на основе нечеткой логики.
Математическая модель яркостной нормализации изображения
Математическая модель ввода изображения МВи позволяет определить измеренное ОЭД значение яркости / пиксела с координатами (х,у), равное 1{х,у) = Мви (Е(х,,у.Д)). (2.9) В соответствии со статистической моделью [26], примененной к процессу определения яркости элементарной области рабочей сцены, измеренное значение яркости пиксела 1(х,у) является суммой математического ожидания яркости 1м(х,у), систематической погрешности % и случайной погрешности Є]: I(x,y) = L(x,y) + x+Eh (2.10) Систематическая погрешность складывается из аддитивной составляющей & [27], являющейся постоянной величиной для данного пиксела, и составляющей &„ пропорциональной яркости 1м(х,у): X = Ь (х,у) + ЪлШх.У))- (2.11)
Так как случайная погрешность Єї имеет нулевое математическое ожидание, то при многократных измерениях постоянного уровня яркости 1м(х,у) ее значением можно пренебречь [28]. Тогда выражение (2.10) не содержит случайной погрешности, что позволяет определить при нулевом уровне яркости матрицу аддитивной составляющей систематической погрешности ОЭД %Лх,у)\ — —. Выражение (2.10) с учетом формулы (2.11) запишется 1{х,у) = Ім(х,у) + Ха (х,у) + КАШУ)) + «і- (2.12) Так как є, = 0, то при Ім(х,у) О, -fa(IJx,y)) = О Составляющая &, систематической погрешности, пропорциональная яркости IM(x,y), определяется при равномерном освещении фоточувствительной области ОЭД. В соответствии с законом больших чисел [56] 1м{х,у) вследствие многократных измерений величина случайной ошибки Z\ пренебрежимо мала. Матрица Ъл(х,у)\х_ при равной нулю Є и определенной по формуле (2.13) аддитивной составляющей систематической погрешности для значения яркости / определяется ЗЬ.( )І„ .,-Ї? =Kx,y)\x=Yrx VY -Xa jCnw- 2Л4 Математическая модель 1кор(х,у)\ — — коррекции систематической составляющей пофешности определения яркости изображения с учетом выражений (2.12-2.14) запишется М )І .,.ГР=/( )І,- .ї7 Lu -U -bfoOLr r?- (2Л5 Полученное и исправленное по формуле (2.1.5) изображение Ікор(х,у)\ ЇХ _п рабочей сцены подвергается операциям, изменяющим яркость и контрастность изображения, с целью подготовки изображения для последующего преобразования и определения параметров калибровки [29]. Первым этапом яркостной нормализации является приведение средней яркости / изображения к эталонной величине / . Средняя яркость 1 равна / = i± . (2.16) X-Y Введем лингвистическую переменную (ЛП) [29] «яркость», принимающую нечеткие значения «очень темный», «темный», «средний», «яркий» и «очень яркий» и функции принадлежности (ФП), соответствующие указанным термам [30] - А очснь темнЫй», /4темный» /Передний», /«яркий» И //«очень яркий» зо 5\-1 = (1+(5-/)Т, М «очень темный» v- у = є 2Ь2 , при а = 0,3, b = 0,085, U «темныи» М«срштїі» = Є " , при а - 0,5, b = 0,085, //«ярКий , е иг , при а = 0,7, b = 0,085, /кочень яркий» = (1+(5-(1-/)=)-, " 2Ь2 (2 Л 7) (2.18) (2.19) (2.20) (2.21) где a, b - параметры.
При изменении контраста производится обработка небольших участков изображения «скользящим окном». При этом «окно», в котором изменяется контраст, определяется координатами верхнего левого и нижнего правого углов «окна» - (х!н,у1И) и (х у ), соответственно, но коэффициенты а и Ъ определяются по изображению в «окне» с начальными и конечными координатами (хюу„) и (Хк,ук), соответственно, что позволяет избежать резких перепадов яркости на границах «окон» [23,33].
Восстановление контуров объектов производится для повышения качества выделения контуров в соответствии с математической моделью 2.31 путем сопоставления контуров на разных кадрах изображения и коррекции множества точек, составляющих контур (рис. 2.1а), а также удаления «двойных» контуров (рис. 2.16), образовавшихся в результате применения метода Лапласа [37, 38].
Точность калибровки угловых отклонений оптико-электронных датчиков оптико-электронного устройства
С учетом того, что величины к, 1с определяются по значениям яркостей достаточно большого количества пикселов области изображения, влиянием случайной составляющей при их формировании можно пренебречь [28] и считать величины k,Ic не подверженными случайным искажениям. Тогда, яркость I может быть искажена на величину к є.
При выделении контура производится определение перепада G яркости между двумя точками с яркостями I], 12 и сравнение полученного значения перепада G с пороговым значением PG. Так как яркости 1Ь 12 подвержены случайным искажениям с величиной к, то для определения минимальной точности выделения контуров считаем, что яркость одной точки не подвержена искажению, а яркость Ь другой точки подвержена искажению с максимальным значением єтах, тогда погрешность определения G максимальна и равна к єтах.
Выражения (3.9), (ЗЛО) позволяют определить точность калибровки угловых отклонений главных оптических осей ОС ОЭД. Из выражений (3.9), (ЗЛО) следует, что для ОЭУТК с ОС, оснащенными трансфокаторами, при калибровке угловых отклонений для достижения наибольшей точности необходимо установить максимальные фокусные расстояния.
Таким образом, выражения (3.8), (3.9), (ЗЛО) позволяют рассчитать точность определения и калибровки угловых отклонений главных оптических осей ОС ОЭД.
Найдем точность Дк определения параметра к[(х д,у л х в»Ув) радиальной дисторсии ОС, определяемого по выражению (2.61), и зависящего от координат контрольной точки в положениях А и В [67].
Необходимость адаптации ОЭУ трехмерной калибровки обусловлена значительной априорной неопределенностью о среде функционирования и параметрах ОЭУ трехмерной калибровки [79, 80].
Адаптация ОЭУ трехмерной калибровки направлена на достижение заданных технических характеристик ОЭУТК при минимальных затратах на его разработку и изготовление, а также поддержание технических характеристик на заданном уровне при изменении условий внешней среды. В зависимости от используемых методов адаптация подразделяется на параметрическую, структурную и алгоритмическую [80].
Параметрическая адаптация обеспечивает подстройку внутренних параметров ОЭУТК в случае изменения внешних условий при постоянных структуре и алгоритме функционирования ОЭУТК. Структурная адаптация применяется в ситуациях, когда параметрическая адаптация не обеспечивает достижение заданных целей; структурная адаптация является более эффективной для достижения заданных технических характеристик, но требует трудоемкой процедуры аппаратного изменения структуры ОЭУТК, Алгоритмическая адаптация обеспечивает приспособление алгоритмов калибровки к специфике решаемых задач и применяется при рассмотрении ОЭУТК как вычислительной системы.
Целью параметрической адаптации является повышение точности калибровки путем приведения внутренних параметров ОЭУТК к таким значениям, при которых обеспечивается максимальная точность при текущих внешних условиях среды функционирования.
Одними из основных входных параметров, влияющими на точность калибровки, являются освещенность рабочей сцены, и шум, вызванный внешними факторами и шумами ОЭД и АЦП блока ввода изображения.
Рассмотрим адаптацию ОЭУТК к изменению освещенности рабочей сцены [31]. Согласно формулам (2.17) ц (2.21), лингвистическая переменная (ЛП) «яркость», характеризующая яркость изображения и, как следствие, освещенность рабочей сцены, принимает значения «очень темный», «темный», «средний», «яркий» и «очень яркий». Адаптация ОЭУТК к уровню освещенности заключается в выборе способа приведения яркости изображения к заданной величине, изменения яркости и подготовки изображения для дальнейшей обработки.
При значении ЛП «яркость» «темный», «средний» и «яркий» яркость / пикселов с координатами (л\у), поступающих от ОЭД кадров изображения корректируется программно в соответствии с выражением (2.22).
При значении ЛП «очень яркий» подается управляющее воздействие на ОЭД и яркость изображения уменьшается плавным уменьшением чувствительности ОЭД до тех пор, пока ЛП «яркость» не примет значение «средний». При невозможности достижения значения «средний» изменение чувствительности ОЭД прекращается при достижении значения «яркий», после чего яркость изображения изменяется по формуле (3.28).
При значении ЛП «яркость» «очень темный» чувствительность ОЭД увеличивается до тех пор, пока ЛП «яркость» не примет значение «средний». Если указанного значения не удается достичь, то чувствительность приводится к исходному значению и вновь плавно увеличивается. При этом изображение разбивается на прямоугольные участки и увеличение чувствительности производится до тех пор, пока хотя бы в одном из участков не будет достигнуто значение «средний» ЛП «яркость» данного участка. Такое изменение яркости предназначено для калибровки ОЭУТК в ночных условиях круглосуточно работающих систем наблюдения [82] и обеспечивает проведение калибровки по участку изображения.
Введем ЛП «изменение яркости» для управления яркостью изображения и определим последовательность действий при коррекции яркости изображения: - расчет нечеткого значения ЛП «яркость»; - вычисление нечеткого значения ЛП «изменение яркости», — дефазификация значения ЛП «изменение яркости», — изменение яркости изображения на рассчитанное значение.
Методика проведения испытаний высокоточного оптико-электронного устройства трехмерной калибровки
При проведении испытаний определялись погрешности калибруемых параметров ОЭУТК: — погрешность калибровки фокусных расстояний объективов ОЭД бинокулярного ОЭУ; — погрешность коррекции радиальной дисторсии объектива ОЭД; — погрешность калибровки угловых отклонений установочного положения ОЭД; - средняя суммарная погрешность калибровки, являющаяся комплексным показателем, характеризующим точность калибровки бинокулярного ОЭУ, определяемая различиями кадров, поступающих с двух ОЭД бинокулярного ОЭУ.
Рассмотрим методику определения погрешностей параметров калибровки в соответствии с методом адаптивной калибровки. 1 Проводилась адаптивная калибровка ОЭУТК. 1.1 Оптико-электронные датчики закреплялись на устройстве ориентации так, что их главные оптические оси располагались параллельно, и параметры Н, D (рис. 2.5а), определяющие линейное положение ОЭД, были близки к нулю, величина базы L устанавливалась равной 80мм. Выбор указанного значения L обусловлен размерами ОЭД и устройства ориентации. 1.2 Оптико-электронные датчики, в соответствии со схемой на рис. 4.1, подключались к ПЭВМ через устройство коррекции радиальной дисторсии и ввода изображения. 1.3 В ПЭВМ запускалась программа, реализующая алгоритм адаптивной калибровки, которая по изображению рабочей сцены автоматически выбирала калибровочный объект и по изображению калибровочного объекта рассчитывала значения калибруемых параметров. 1.4 В процессе калибровки на дисплее ПЭВМ отображались команды устройству ориентации, содержащие информацию о необходимых изменениях линейных и угловых величин, определяющих установочное положение ОЭД. 1.5 Устройством ориентации производилось изменение параметров установочного положения ОЭД на рассчитанные ПЭВМ величины. 1.6 П.п. 1.4, 1.5 повторялись до тех пор, пока программа адаптивной калибровки не формировала сообщение о проведении калибровки.
На постоянном расстоянии от объектива каждого ОЭД последовательно располагался тестовый объект, представляющий собой сетку из горизонтальных и вертикальных прямых, расположенных с шагом 2,5 мм, нанесенную на ровную плоскую поверхность. Тестовый объект располагался так, что главная оптическая ось ОЭД пересекала центр калибровочного объекта, совпадающий с одной из точек пересечения вертикальной и горизонтальной прямых, и была перпендикулярна плоскости тестового объекта. Пересечение главной оптической оси с центром тестового объекта достигалось путем смещения тестового объекта до совпадения центра изображения тестового объекта с центром кадра. Перпендикулярность плоскости тестового объекта главной оптической оси достигалась приведением расстояний а, Ь, с, d (рис. 4.3) от равноудаленных от центра тестового объекта углов тестового объекта до объектива ОЭД к равенству. Вращением тестового объекта в его плоскости обеспечивалась горизонтальность линий тестового объекта горизонтальной оси координат кадра изображения.
В результате экспериментальных исследований установлено: - полученные экспериментальные данные практически не отличаются от теоретически рассчитанных значений погрешностей параметров калибровки, что подтверждает адекватность разработанной математической модели ОЭУТК; - при увеличении разрешающей способности ОЭД увеличивается точность калибровки угловых отклонений установочного положения и фокусных расстояний ОЭД и уменьшается точность коррекции радиальной дисторсии, что обусловлено погрешностями цифрового представления изображения. Для повышения точности коррекции радиальной дисторсии при больших разрешающих способностях ОЭД необходимо определять дополнительные коэффициенты ряда в выражении (2.56); — зависимость суммарной погрешности калибровки, определяемой различиями кадров изображений, поступающих с разных ОЭД бинокулярного ОЭУ, от разрешающей способности ОЭД не линейна вследствие различного характера изменения погрешностей калибровки угловых параметров установочного положения и фокусного расстояния ОЭД и погрешности коррекции радиальной дисторсии.
Для сравнительного анализа полученных в ходе испытаний точностных параметров ОЭУТК выбраны устройства калибровки [13, 114], наиболее близкие к разработанному ОЭУТК и имеющие лучшие характеристики из известных устройств - устройство калибровки активной стереоскопической системы технического зрения [13] и устройство калибровки камеры по перспективным линиям [114]. Для описания точностных характеристик ОЭУ использованы две группы погрешностей. Первая группа характеризует точность приведения параметров калибровки к эталонным значениям и содержит погрешность калибровки фокусных расстояний 5/"и погрешности калибровки угловых отклонений ду, 6а, S$ установочного положения ОЭД. Вторая группа характеризует степень достижения цели калибровки — получение идентичных изображений с ОЭД бинокулярного ОЭУ. Идентичность изображений определяется погрешностью Д , рассчитываемой по расхождению координат точек рабочей сцены на изображениях разных ОЭД.
Анализ таблицы 4.1 показывает, что погрешность калибровки бинокулярного ОЭУ разработанным ОЭУТК ниже погрешности устройства калибровки камеры по перспективным линиям [114] в 1,5 раза и устройства калибровки активной стереоскопической системы технического зрения [13] в 1,3 раза. При этом разработанное ОЭУТК позволяет проводить калибровку с высокой точностью без использования специального эталонного объекта, что расширяет область применения разработанных способа и оптико-электронного устройства трехмерной калибровки.
