Содержание к диссертации
Введение
1 Проблема определения малой дальности до водной поверхности и ограничения оптико-электронных систем технического зрения
1.1 Основные требования к системе определения малой дальности до ВП 10
1.2 Сравнительный анализ промышленных методов определения дальности
1.2.1 Классификация методов бесконтактного определения дальности 10
1.2.2 Методы радиолокации 12
1.2.3 Методы лазерной локации 13
1.2.4 Методы гамма-лучевой локации 14
1.2.5 Методы ультразвуковой локации 15
1.2.6 Барометрический метод 16
1.2.7 Методы спутниковой навигации 17
1.2.8 Емкостной метод 18
1.2.9 Оптико-электронные методы технического зрения 18
1.2.10 Сводная таблица характеристик методов 20
1.3 Особенности формирования цифровых изображений ВП 22
1.3.1 Основные влияющие факторы 22
1.3.2 Оптические свойства воды и ВП 23
1.3.3 Влияние волнения ВП 27
1.4 Виды дальнометрических ОЭСТЗ и их ограничения 30
1.4.1 Критерии классификации ОЭСТЗ 30
1.4.2 Ограничения активных дальнометрических ОЭСТЗ 32
2 Оптико-электронные системы технического зрения, основанные на получении и анализе стереоскопических фотоизображений 34
2.1 Стереоскопическое зрение и волнение ВП 34
2.2 Метод определения положения объекта относительно невозмущенной ВП и структурная схема ОЭСТЗ
2.2.1 Структурная схема стереоскопической ОЭСТЗ 37
2.2.2 Принцип действия стереоскопической ОЭСТЗ 38
2.2.3 Выбор информативных параметров фотоизображений з
2.3 Алгоритм работы стереоскопической ОЭСТЗ 42
2.3.1 Адаптивная настройка камер и блока подсветки СТЗ 43
2.3.2 Получение стереоскопических фотоизображений ВП 43
2.3.3 Обработка и анализ стереоскопических фотоизображений 44
2.3.4 Ассоциирование оптических излучателей СТЗ с их фотоизображениями... 45
2.3.5 Вычисление пространственного положения зеркальных изображений оптических излучателей СТЗ 45
2.3.6 Вычисление пространственного положения СТЗ и объекта относительно невозмущенной ВП 46
2.3.7 Вывод результатов оценки параметров 50
2.3.8 Ограничения алгоритма 50
2.4 Экспериментальная проверка стереоскопической ОЭСТЗ 50
2.4.1 Экспериментальная установка 50
2.4.2 Калибровка камер стереоскопической ОЭСТЗ 51
2.4.3 Программная реализация алгоритма 52
2.4.4 Результаты натурных экспериментов 52
2.5 Исследование влияния негативных факторов на точность определения пространственного положения стереоскопической ОЭСТЗ 53
2.5.1 Алгоритм анализа влияния негативных факторов 53
2.5.2 Программная реализация алгоритма 54
2.5.3 Анализ результатов моделирования 54
2.6 Пути повышения эффективности стереоскопической ОЭСТЗ 56
3 Оптико-электронные системы технического зрения, основанные на использовании времяпролетных камер 58
3.1 Принцип действия и особенности времяпролетных камер 58
3.2 Технология Photonic Mixer Device 59
3.3 Форматы дальнометрических изображений 60
3.4 Ограничения времяпролетных PMD-камер 62
3.5 Проблема отсутствия дальнометрических изображений ВП 63
3.6 Экспериментальная установка
3.6.1 Аппаратное обеспечение установки 63
3.6.2 Программное обеспечение установки 66
3.7 Натурный эксперимент 1: при волнении ВП менее 1 балла 67
3.7.1 Цель и условия проведения эксперимента 67
3.7.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП 68
3.7.3 Формирование дальнометрических изображений ВП в PMD-камере 70
3.7.4 Статистическая обработка массивов дальнометрических изображений 71
3.7.5 Исследование свойств отдельных пикселей дальнометрических изображений ВП 74
3.8 Натурный эксперимент 2: при волнении ВП 1–2 балла 78
3.8.1 Цель и условия проведения эксперимента 78
3.8.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП 79
3.8.3 Возможность определения угловой ориентации PMD-камеры 80
3.9 Натурный эксперимент 3: при интенсивном солнечном освещении 81
3.9.1 Цель и условия проведения эксперимента 81
3.9.2 Визуализация экспериментальных дальнометрических изображений ВП 82
3.9.3 Статистическая обработка массивов дальнометрических изображений 83
3.9.4 Удаление ошибочных валидных пикселей дальнометрических изображений ВП 3.10 Алгоритм определения высоты положения PMD-камеры 88
3.11 Возможность определения параметров волнения ВП по дальнометрическим изображениям ВП 90
3.12 Вопрос выбора значения выдержки 91
3.13 Влияние отражательной способности поверхности резервуара 92
3.14 Публикация массивов дальнометрических изображений ВП в сети Интернет 92
4 Применимость методов на подвижных объектах и использование дополнительной навигационной информации 93
4.1 Применимость методов на подвижных объектах 93
4.1.1 Сводная таблица результатов анализа применимости 93
4.1.2 Общие особенности применения на подвижных объектах 93
4.1.3 Применимость стереоскопических ОЭСТЗ 94
4.1.4 Применимость ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер 96
4.2 Построение комплексных систем и алгоритмов 96
4.2.1 Преимущества и виды комплексных систем 96
4.2.2 Интеграция стереоскопической ОЭСТЗ и БИНС 97
4.2.3 Использование информации об ориентации PMD-камеры для коррекции оценки высоты по дальнометрическим изображениям 99
Заключение 102
Список сокращений и условных обозначений 104
Список литературы 105
- Оптико-электронные методы технического зрения
- Метод определения положения объекта относительно невозмущенной ВП и структурная схема ОЭСТЗ
- Цель и условия проведения эксперимента
- Применимость ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Проблема бесконтактного определения малой дальности (0,2–5 м) до водной поверхности (ВП) возникает при решении ряда задач. К ним относятся измерение уровня жидкости, определение параметров морского волнения, измерение высоты движения неводоизмещающего объекта и др. Сложность состоит в том, что многие бесконтактные дальнометрические методы не могут быть использованы для определения малой дальности до ВП, особенно при ее волнении. Отсутствие дальномеров с адекватными технико-экономическими характеристиками является серьезным ограничением при разработке новых систем управления и контроля. Перечисленные факты обуславливают актуальность поиска и исследования новых методов, обеспечивающих определение малой дальности до ВП.
Анализ современного уровня техники показывает, что в последнее время
непрерывно расширяется сфера применения оптико-электронных систем
технического зрения (ОЭСТЗ). Они используются в промышленном
производстве, медицинской диагностике, распознавании символьной
информации и многих других областях. Одной из задач, успешно решаемых с их помощью, является бесконтактное определение дальности. Из проведенного анализа следует, что практически все известные ОЭСТЗ, обеспечивающие определение малой дальности до ВП, основаны на получении и анализе фотоизображений вспомогательных объектов, например, поплавков или измерительных реек, специально расположенных на уровне ВП. Необходимость их использования объясняется особенностями оптических свойств водной среды и изображений ВП. Тем не менее, данный подход приводит к усложнению конструкции ОЭСТЗ и не во всех задачах является возможным.
Целью диссертационной работы является поиск оптико-электронных методов и систем технического зрения, обеспечивающих определение малой дальности до водной поверхности и в то же время не основанных на получении и анализе изображений вспомогательных объектов, расположенных на уровне водной поверхности.
Личное участие соискателя
Все основные результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем.
Основные задачи, которые решались в процессе диссертационного исследования:
сравнительный анализ промышленных методов бесконтактного определения дальности, в том числе, при движении объекта;
поиск оптико-электронных методов технического зрения, обеспечивающих потенциальную возможность определения малой дальности до ВП и не требующих использования вспомогательных объектов, расположенных на уровне ВП;
исследование возможности и специфики применения ОЭСТЗ, основанных на получении и анализе стереоскопических фотоизображений ВП;
разработка структуры и алгоритма работы стереоскопической ОЭСТЗ, обеспечивающей определение положения объекта относительно невозмущенной ВП;
исследование возможности и специфики применения ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер;
получение дальнометрических изображений ВП с помощью времяпролетной PMD-камеры и их анализ;
разработка алгоритмов определения высоты, основанных на анализе дальнометрических изображений ВП, генерируемых времяпролетной PMD-камерой;
разработка аппаратного и программно-алгоритмического обеспечения для экспериментальной проверки предложенных методов и систем;
анализ путей повышения их эффективности.
Методы исследования
Применялись общие методы системного анализа: формализация, абстрагирование, алгоритмизация, моделирование, эксперимент и др. Использовались методы оптики, технического зрения, цифровой обработки изображений, фотограмметрии, навигации, линейной алгебры, аналитической геометрии, математической статистики и фильтрации сигналов.
Научная новизна диссертационной работы отражена в положениях, выносимых на защиту.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
Активные оптико-электронные системы технического зрения, включающие матричные датчики и источники расходящегося оптического излучения, обеспечивают определение малой дальности до водной поверхности без использования вспомогательных элементов, расположенных на уровне водной поверхности.
Стереоскопическая оптико-электронная система технического зрения, включающая блок цифровых фотокамер и блок оптических излучателей, формирующих расходящееся излучение, обеспечивает определение собственной высоты и угловой ориентации относительно невозмущенной водной поверхности с помощью анализа регистрируемых фотоизображений водной поверхности с зафиксированными зеркальными изображениями оптических излучателей.
Экспериментальные дальнометрические изображения водной поверхности, полученные с помощью оптико-электронной времяпролетной камеры, и результаты их статистического анализа подтверждают возможность применения оптико-электронных времяпролетных камер для определения малой дальности до водной поверхности в широком диапазоне воздействий внешней среды.
Алгоритм работы системы технического зрения, включающей оптико-электронную времяпролетную камеру, основанный на статистическом анализе пространства валидных пикселей дальнометрических изображений, обеспечивает определение высоты системы относительно как невозмущенной, так и взволнованной водной поверхности.
Теоретическая и практическая значимость работы:
найдены оптико-электронные методы технического зрения, обеспечивающие определение малой дальности до водной поверхности и не требующие использования вспомогательных объектов, расположенных на уровне водной поверхности;
заложена основа для дальнейшего исследования особенностей применения оптико-электронных методов технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности;
сформулированы выводы, полезные при разработке новых систем бесконтактного определения малой дальности до водной поверхности;
разработаны две экспериментальные установки для исследования особенностей применения оптико-электронных методов и систем технического зрения для определения малой дальности до водной поверхности.
Реализация результатов работы
Теоретические и практические результаты используются в НИОКР МИПАКТ ГУАП, ОАО «Радиоавионика», а также в учебном процессе кафедры аэрокосмических измерительно-вычислительных комплексов ГУАП. Внедрение результатов работы подтверждено соответствующими актами.
Апробация работы
Основные результаты диссертационного исследования докладывались и
обсуждались на научных сессиях ГУАП (С.-Петербург, 2009, 2010, 2012,
2013 гг.), XII, XIII, XIV и XV конференциях молодых ученых «Навигация и
управление движением» (С.-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ
«Электроприбор», 2010, 2011, 2012, 2013 гг.), Интернет-форумах XII, XIV и XV конференций молодых ученых «Навигация и управление движением» (сайт ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010, 2012, 2013 гг.), XIX международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (Алушта, 2010 г.), XXVII конференции памяти Н.Н. Острякова (С.-Петербург, ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010 г.), программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (проект вошел в список победителей; С.-Петербург, 2010, 2011, 2012 гг.), конкурсе научно-исследовательских проектов ГУАП (С.-Петербург, 2014 г.; проект вошел в список победителей), 19-ом всемирном конгрессе IFAC (Кейптаун, 2014 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 16 работах, из них 4 статьи и 4 реферата опубликованы в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК, 8 работ опубликованы в сборниках научно-технических семинаров и конференций.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем основной части работы составляет 114 страниц, включая 5 таблиц и 52 рисунка. Список литературы содержит 105 источников.
Оптико-электронные методы технического зрения
Как правило, в лазерных дальномерах используется коллимированное излучение, которое обеспечивает пространственную локализацию луча. Данная особенность приводит к сложностям при измерении дальности до зеркальных или прозрачных поверхностей, которые проявляются и при измерении малой дальности до ВП. При падении лазерного луча на ВП только часть излучения отражается в направлении приемника. Другая часть преломляется и затем поглощается в толще воды, или же отражается от поверхности не в направлении приемника. Данные явления могут привести к недостаточной интенсивности отраженного излучения на входе приемника и нестабильности измерений [26, 79]. Это объясняет практически полное отсутствие примеров удачного использования ЛД для измерения малой дальности до ВП.
Метод гамма-лучевой локации основан на зависимости интенсивности отраженного гамма-излучения от дальности до подстилающей поверхности [39, 59, 60]. Гамма-лучевые высотомеры (ГЛВ) были разработаны специально для измерения малых высот. Первым ГЛВ была система «Кактус», предназначенная для обеспечения мягкой посадки космических спускаемых аппаратов. При разработке к системе выдвигались высокие технические требования: повышенная надежность, абсолютная всепогодность, малая зависимость точности от свойств подстилающей поверхности. В результате был создан измеритель, в котором впервые было использовано электромагнитное излучение гамма-лучевого диапазона. Последующее развитие данного научно-технического направления привело к созданию целого ряда систем для авиационных и космических объектов [60]. Системы, основанные на методе гамма-лучевой локации, обычно включают два блока — передатчик и приемник. Передатчик содержит источник гамма-излучения, которое формируется в направлении зондируемой поверхности. Приемник служит для измерения интенсивности отраженного гамма-излучения и вычисления дальности [59].
Существенным недостатком данного метода является использование излучения, представляющего угрозу для человека и окружающей среды. Несоблюдение правил эксплуатации может вызвать опасное радиационное облучение [53]. Данный факт ограничивает возможность использования ГЛВ в проводимом исследовании, даже если не рассматривать вопрос целесообразности с экономической точки зрения [26].
В отличие от методов, рассмотренных ранее, в ультразвуковой локации используется не электромагнитное, а акустическое излучение. Ультразвуковые дальномеры (УД) широко применяются в промышленности для бесконтактного измерения расстояний в различных средах. В воздушной среде УД в основном используются для измерения малых расстояний. Их главными достоинствами являются низкая стоимость, простота эксплуатации, а основным недостатком — зависимость скорости звука от климатических параметров. С точки зрения структуры можно выделить следующие классы УД: дальномеры с каналом автокоррекции масштаба, дальномеры с параметрической термокомпенсацией непостоянства скорости звука, дальномеры без средств компенсации [14].
УД с автокоррекцией масштаба относятся к прецизионным измерителям дальности. Высокая точность обеспечивается с помощью эталонных отражателей, которые располагаются на пути следования акустического луча. В результате, принимаемый сигнал представляет собой совокупность импульсов, отраженных от эталонных отражателей и зондируемой поверхности. Основным недостатком данного типа УД являются большие габариты [14]. УД с параметрической термокомпенсацией имеют датчик температуры воздуха. Его показания служат для коррекции значения скорости звука, используемого в вычислениях. Недостатком данного вида УД является необходимость реализации дополнительного измерительного канала. Кроме того, отсутствие барометрического канала не позволяет учитывать отклонение атмосферного давления от нормального. УД без компенсации изменения скорости звука в общем случае не обеспечивают высокой точности измерений [14]. Негативное влияние на работу УД оказывают нежелательные отражатели акустического излучения. Для устранения их влияния используют пространственную локализацию акустического луча — с помощью антенн с острой диаграммой направленности или путем создания специального канала для распространения акустического излучения [3]. Возможность измерений сильно зависит от расположения передатчика и приемника ультразвуковых колебаний относительно зондируемой поверхности [79]. Данный факт может быть причиной проблем при измерении дальности до взволнованной ВП. При использовании УД на подвижных объектах возможно возникновение сложностей из-за разности частот излучаемого и принимаемого сигналов (эффект Доплера). Также работа УД может быть нарушена источниками акустических помех.
Перечисленные факты объясняют практически полное отсутствие примеров удачного использования УД в динамических задачах определения малой дальности до подстилающей ВП [26]. Однако нужно отметить, что УД успешно используются в статических задачах в условиях небольшой балльности волнения ВП [3].
Метод определения положения объекта относительно невозмущенной ВП и структурная схема ОЭСТЗ
Основным достоинством стереоскопического зрения является возможность измерения дальности до объектов сцены. Множество живых существ, включая человека, используют стереоскопическое зрение для получения информации об окружающем мире. В технике стереоскопическое зрение применяется относительно давно. Первые стереоскопические фотокамеры появились еще в середине XIX века [62]. Поэтому использование стереоскопических ОЭСТЗ может считаться классическим подходом к решению задачи бесконтактного определения дальности.
Ключевой процедурой при автоматическом анализе стереоскопических снимков является стереоотождествление. Стереоотождествление — поиск соответствующих точек [42], под которыми понимаются точки стереоскопических снимков, являющиеся изображениями одной и той же точки сцены. В настоящее время не существует универсальных методов стереоотождествления. Причиной является высокая сложность анализа фотоизображений, полученных в реальных условиях. Как правило, стереоотождествление выполняется не для всей области перекрытия, а только для некоторых ключевых точек, и может быть условно разделено на два этапа: 1) поиск ключевых точек; 2) поиск соответствующих точек [42, 44]. При поиске ключевых точек в качестве информативных параметров используются такие атрибуты фотоизображений объектов сцены, как яркость, длина, площадь, коэффициенты формы и другие. При поиске соответствующих точек основными информативными параметрами являются координаты ключевых точек.
Преимуществом активных ОЭСТЗ является специальная подсветка, которая существенно упрощает стереоотождествление, так как в качестве ключевых выбираются подсвеченные точки сцены. В результате снижается сложность программно-алгоритмического обеспечения. Повышаются надежность и качество измерений. Обеспечивается возможность функционирования системы при недостаточном освещении, а также при наличии в поле зрения однородных по цвету протяженных поверхностей.
После стереоотождествления выполняется вычисление пространственных координат исходной точки сцены по найденным плоским координатам ее соответствующих точек. Априорными данными являются параметры ориентирования камер, которые определяются с помощью предварительной калибровки. В результате формируется пространственное облако точек, принадлежащих поверхности сцены. Непрерывная модель поверхности сцены может быть получена с помощью интерполяции.
Из вышесказанного следует, что возможность применения стереоскопических ОЭСТЗ для определения дальности до ВП, прежде всего, зависит от возможности стереоотождествления фотоизображений ВП. Для этого необходимо, чтобы ключевые точки некоторым образом выделялись на окружающем фоне и поддавались распознаванию [22, 25, 26].
В главе 1 перечислен целый ряд факторов, оказывающих влияние на формирование изображений ВП. Описаны три состояния волнения ВП с принципиально различными оптическими свойствами. Использование стереоскопических фотоизображений, полученных в указанных состояниях ВП, имеет свои особенности. Диффузное волнение характеризуется тем, что значительная часть возмущенной ВП диффузно отражает оптическое излучение. При попадании диффузно отражающего участка ВП, например, вспененного участка, в область перекрытия камер появляется возможность поиска соответствующих точек, принадлежащих границам его изображений. Успешное стереоотождествление, в свою очередь, дает возможность последующего вычисления дальности. По существу, использование специальной подсветки не обязательно. Достаточно определенного уровня общего освещения сцены. Между тем, параметры волнения ВП изменяются как в пространстве, так и во времени. В результате может сложиться ситуация, когда участки с диффузным отражением не попадают в поля зрения камер и не фиксируются на стереоскопических фотоизображениях. В этом случае задача стереоотождествления сильно усложняется, и возможно, не может быть решена. Функционирование ОЭСТЗ становится не стабильным.
Зеркальное волнение характеризуется тем, что значительная часть взволнованной, но гладкой ВП зеркально отражает оптическое излучение. Другими словами, ВП представляет собой кривое зеркало, в котором отражаются расположенные над ней предметы. Вид изображений одной и той же точки ВП может кардинально меняться при изменении точки фотографирования, делая стереоотождествление практически невозможным. Анализ изображений ВП, полученных экспериментальным путем, позволил сделать вывод о сложности использования стереоскопических ОЭСТЗ для определения дальности до ВП, находящейся в состоянии зеркального волнения.
Отсутствие волнения характеризуется тем, что на определенном интервале пространства и времени форма ВП не изменяется и может быть аппроксимирована плоскостью. Отражение является зеркальным, изображения предметов не искажаются. На стереоскопических фотоизображениях фиксируются отраженные объекты, а не точки принадлежащие ВП (см. рисунок 1.7). Стереоотождествление является возможным. Однако общие методы и алгоритмы стереоскопического зрения не могут быть использованы, так как дальность может быть определена не до ВП, а до зеркальных изображений отраженных в ней предметов [25, 26].
Таким образом, из рассмотренных трех состояний ВП только при диффузном волнении существует возможность распознавания фотоизображений точек, принадлежащих ВП. В остальных состояниях на стереоскопических снимках фиксируются изображения отраженных предметов.
В главе 1 показано, что отсутствие волнения ВП является важным частным случаем, а определение высоты относительно невозмущенной ВП имеет большое практическое значение. Следовательно, поиск соответствующих методов, систем и алгоритмов является актуальным. В процессе диссертационного исследования было найдено решение данной задачи с использованием стереоскопической ОЭСТЗ.
Цель и условия проведения эксперимента
Формат радиальных дальностей (РД). Первоначально дальность измеряется в сферической системе координат с началом в фокусе оптической системы PMD-камеры [73]. Для хранения соответствующего ДИ необходима одна матрица (массив чисел). Число ее элементов совпадает с числом чувствительных элементов датчика изображений. Элементы матрицы содержат значения дальности до соответствующих участков поверхности сцены (в метрах) [74, 75, 79].
Формат облака точек (ОТ). Параметры внутреннего ориентирования камер (см. п. 2.4.2) определяются при производстве. Поэтому из элементов исходного изображения в формате РД PMD-камера может автоматически вычислить координаты соответствующих точек в связанной трехмерной ДСК. Для хранения такого изображения необходимо уже 3 матрицы (по одной для каждой координаты). Размер матриц совпадает с размером исходного изображения в формате РД [74, 75, 79]. Таблица 3.1 – Форматы ДИ (названия форматов даны автором диссертации) Формат ДИ Количество матриц Обозначения матриц Физический смысл элементов матриц Радиальных дальностей 1 D Радиальная дальность в сферической системе координат (в метрах) Облака точек 3 X Координата Х точки в ДСК (в метрах) Y Координата Y точки в ДСК (в метрах) Z Координата Z точки в ДСК (в метрах) Если в результате одного измерения получены ДИ в обоих рассмотренных форматах, тогда их элементы связаны выражением Ци) = Jx{iJ)2+Y{iJ)2+Z{iJ)2, (3.2) где /, j - индексы элементов ДИ. Очевидно, что ДИ в формате облака точек являются более информативными.
ДИ, генерируемые PMD-камерой, могут содержать валидные и невалидные пиксели. В данной работе валидными называются пиксели, содержащие оценки дальности, полученные в результате измерения. Невалидные пиксели вместо оценок дальности содержат коды ошибок, которые привели к невозможности измерения. Многие камеры имеют два типа ошибок: насыщение чувствительных элементов (код «-1») и слабый сигнал (код «-2») [74, 75, 79]. 3.4 Ограничения времяпролетных PMD-камер PMD-камеры не лишены ограничений. Основные из них перечислены ниже [29, 74, 75, 79]. - Разрешение формируемых ДИ относительно не велико. - Частота съемки современных PMD-камер не превышает 100 Гц. - Анализ принципа действия и формулы (3.1) дает понять, что максимальная дальность, которая может быть корректно измерена с помощью PMD-камеры, равна отношению скорости света к удвоенной частоте модуляции. При наличии в поле зрения камеры объектов, расстояние до которых больше, чем верхний предел диапазона измерения, может возникнуть методическая погрешность, кратная этому верхнему пределу. - Случайная составляющая погрешности измерения зависит от целого ряда обстоятельств. К ее увеличению приводят малая амплитуда отраженного сигнала, высокая интенсивность внешнего освещения, движение объектов сцены, малое значение выдержки, использование поблизости PMD-камеры с той же частотой модуляции. Следует отметить, что амплитуда отраженного сигнала в основном зависит от расстояния до объекта и его отражательной способности [73–75]. - Систематическая погрешность измерения PMD-камер зависит от точности калибровки, дальности до объекта и от внешних факторов, например, от температуры окружающей среды [75]. - Наличие поверхностей с высоким коэффициентом отражения в поле зрения камеры может привести к насыщению чувствительных элементов датчика изображений и невозможности измерений [73]. - Множественные отражения оптического сигнала ухудшают точность, приводя к переоценке дальности. - При съемке наклонных поверхностей измеряется среднее значение дальности [74]. - После включения камеры в процессе ее нагрева изменяется точность измерений. Как правило, для стабилизации точности требуется несколько минут [92]. Несмотря на указанные ограничения PMD-камеры являются одним из наиболее перспективных средств получения ДИ [92]. 3.5 Проблема отсутствия дальнометрических изображений ВП В настоящий момент существуют публикации, затрагивающие вопрос использования времяпролетных камер в случаях, когда сцена содержит прозрачные объекты, включая воду [78, 83, 84, 97]. Тем не менее, проблема определения малой дальности до ВП в них не рассматривается. Кроме того, сложность состоит в том, что ДИ практически невозможно найти в открытом доступе (в отличие от фотоизображений), что можно объяснить новизной технологии и спецификой форматов их хранения. В связи с этим в процессе исследования автор диссертации столкнулся с необходимостью экспериментального получения ДИ ВП. Специально для решения этой проблемы была разработана экспериментальная установка [79].
Аппаратное обеспечение установки (рисунок 3.2, а) включает: 1 – промышленную PMD-камеру O3D201 производства IFM (рисунок 3.2, б; таблица 3.2); 2 – ПК; 3 – источник питания; 4 – штатив с выносной штангой.
Выбор PMD-камеры O3D201 обусловлен адекватными задаче техническими характеристиками, относительно низкой стоимостью и промышленным исполнением.
Управление PMD-камерой и получение ДИ выполняется с помощью ПК с операционной системой Windows. Обмен информацией выполняется по интерфейсу Ethernet 10Base / 100BaseX. Несущей конструкцией для установки PMD-камеры является доработанный под задачу геодезический штатив. Он обеспечивает возможность плавного изменения высоты PMD-камеры в диапазоне от 1 до 2 м. PMD-камера монтируется на выносную штангу, снабженную противовесом. Крепление PMD-камеры также обеспечивает возможность изменения ее угловой ориентации.
Применимость ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер
Комплексной или интегрированной называется измерительная система, в которой для получения оценки некоторого параметра используется совместная обработка сигналов от нескольких датчиков. Датчики комплексной системы, как правило, основаны на различных физических принципах. Создание комплексной системы позволяет использовать преимущества, которыми обладает каждый из видов датчиков, и повысить качество итоговой оценки параметров [15]. Погрешность оценки на выходе комплексной измерительной системы, как правило, ниже, чем погрешность отдельного измерителя, входящего в систему [48]. К недостаткам использования комплексных систем можно отнести повышение сложности конструкции и алгоритмов обработки информации, а также увеличение стоимости.
Одной из областей, в которой давно и успешно применяются комплексные измерительные системы, является навигация. Ярким примером являются системы, основанные на совместной обработке данных от приемника сигналов ГНСС и БИНС [33]. Датчики БИНС устанавливаются не на стабилизированную платформу, а жестко закрепляются на подвижном объекте [33]. Комплект датчиков БИНС обычно включает тройку акселерометров и тройку датчиков угловой скорости. Широко применяются микроэлектромеханические датчики. Современные БИНС также как и СТЗ, являются цифровыми устройствами. Период их дискретизации обычно не превышает 10 мс [18]. Еще одним и более новым примером являются комплексные системы, использующие совместную обработку сигналов точек доступа беспроводных сетей Wi-Fi и данных от БИНС [35]. Такие системы способны работать внутри зданий в условиях отсутствия сигналов ГНСС.
Выделяют слабосвязанные и сильносвязанные комплексные измерительные системы [48]. Слабосвязанные системы более распространены. Независимо работающие измерители, входящие в слабосвязанную систему, объединяются только на выходе [47]. Пример слабосвязанной системы, включающей СТЗ и БИНС, показан на рисунке 4.1, а [31, 33]. Обратная связь от вычислительного блока к БИНС, присутствующая на рисунке, необходима только для передачи начальных условий для интегрирования. Сильносвязанные комплексные системы отличаются тем, что показания одного из разнотипных измерителей системы используются для получения показаний другого измерителя [69] (рисунок 4.1, б).
Работа любой ОЭСТЗ носит дискретный характер. Дискретизация по времени определяется текущей длительностью рабочего цикла СТЗ, которая зависит от следующих основных факторов: а
В общем случае изменение любого из перечисленных факторов вызывает изменение периода дискретизации СТЗ. Выше было сказано, что при проведении лабораторных экспериментов со стереоскопической ОЭСТЗ период дискретизации составлял 600– 900 мс (см п. 2.4.4). Очевидно, что пространственное положение СТЗ может значительно измениться за указанное время (в случае установки ОЭСТЗ на подвижный объект) и привести к изменению вида фиксируемых изображений.
В процессе диссертационного исследования была исследована целесообразность построения сильносвязанной комплексной системы (рисунок 4.1, б), включающей стереоскопическую ОЭСТЗ, рассмотренную в главе 2, и БИНС [26]. Было установлено, что наличие данных об относительном перемещении объекта, поступающих от БИНС, позволяет выполнить прогноз координат фотоизображений оптических излучателей СТЗ и выделить области стереоскопических снимков ВП, с определенной вероятностью содержащие их изображения. В результате, процедуры обработки и распознавания изображений выполняются не на всем пространстве снимков, а только в определенных областях интереса [26]. Данный подход дает следующие преимущества: - уменьшение длительности рабочего цикла ОЭСТЗ; - повышение точности оценки пространственного положения объекта; - повышение надежности распознавания изображений излучателей; - контроль пространственного положения ОЭСТЗ и объекта в интервале между выдачей результатов измерения ОЭСТЗ. Обобщенный алгоритм работы комплексной системы представлен на рисунке 4.2. Реализация представленного алгоритма и проведенное моделирование подтвердили уменьшение длительности рабочего цикла и повышение надежности распознавания оптических излучателей. При этом выигрыш по времени в основном зависит от точности выходных параметров БИНС. При увеличении точности площадь областей интереса уменьшается, что ведет к сокращению вычислительных затрат. При моделировании сокращение длительности рабочего цикла достигало 40 % [26].
В главе 3 рассмотрены особенности использования ОЭСТЗ на основе времяпролетных камер. Предложен алгоритм определения высоты положения PMD-камеры, основанный на получении и анализе ДИ ВП. При его использовании предполагается, что средний уклон ВП, попадающей в поле зрения камеры, равен нулю. В противном случае, алгоритм даст оценку наклонной дальности. Следует отметить, что уклон ВП может быть обусловлен как рельефом местности, так и наличием волн большой длины. Было установлено, что при наличии данных об угловой ориентации PMD-камеры относительно плоскости горизонта предложенный алгоритм может быть расширен этапом коррекции [20, 29].
Коррекция должна выполняться после получения оценки высоты (см. параграф 3.9, этап 8). Необходимая информация о пространственной ориентации PMD-камеры, а точнее, плоскости снимка относительно плоскости горизонта (углы тангажа и крена ) может быть получена с помощью иных навигационных измерителей, например, с помощью БИНС [20, 33, 48].