Способ автоматического определения координат точек наблюдаемых объектов

 

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО СЯ1РЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ТОЧЕК НАБЛЮДАЕМЫХ ОБЪЕКТОВ, включахж ий проведение стереосъемки объекта идентичными системами, главные оси которых перпендикулярны базису и параллельны Собой, деление каждого сте+ реокадра на равное число полос, параллельных базису, выборку из каждого стереокёщра соответственной полог; сы, расположенной на одной и той же координате, отсчитываемой от центра кадра в направлении, перпендикулярном полосам, определение среднего абсолютного отклонения яркостей точек , принадлежащих соответственньм :полосам разных стереокадров, срав .нение его с заданным пороговым отклонением и вычисление координат точек наблюдаемых объектов, о т л ичающийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения формы и положения объектов, име{ощих в направлении наблюдения кру .тые уклоны или разрывы видимой по- , ; верхности, стереосъемку объекта .осуществляют многостереопарной с |общего прямолинейного базиса-, объединяют соответственные полосы стереокадров в одну группу, располагая их параллельно друг другу со взаимным смещением на расстоянияj пропорциональные расстояниям между центрами проектирующих систем, формируют число групп полос,, равное числу полос в стереокадре, распог лагая группы так, чтобы полосы (Л всех групп были параллельны, а поря: док расположения групп соотв1ет/ств.овал порядку расположения полос в стереокадре, сканируют., полученное изображение по строкам, направленным под различными углами к полосам , выявляют отрезки строк сканирования , на которых величина среднего абсолютного отклонения яркостей точек не превосходит заданного порогового отклонения, определяют углы наклона этих, отрезков строк сканирования к полосам и. координаты точек пересечения отрезков строк с. полосами определенного кадра, а вычисление координат точек наблюдаемых объектов осуществляют по найденным значениям углов и координат точек пересечения.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(59 G 01 С 11/26

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЩРЬГГИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2971805/18-10 (22) 19.08.80 (46) 07.08.83. Бюл. 9 29 (72) Л.Н.Лупичев, И.В.Шаманов и П.М.Гурвич . (71) Ордена Ленина институт проблем управления (53) 528.727(088.8) (56) 1. Гиммельфарб Г.Л. и др.

Алгоритм автоматического отождествления идентичных. участков на снимках стереопары :,; — Кибернетика, 1972, 9 2.

2. Майсов И.A. Стереотелевизионный спороб исследования пространства1-. - . Техника кино и телевидения, 1966, 9 12 (прототип). (54) (57) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО

ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ТОЧЕК НАБЛЮДАЕМЬИ ОБЬЕКТОВ, включающий проведение стереосъемки объекта идентичными системами, главные оси которых перпендикулярны базису и параллельны между Собой, деление каждого сте реокадра на равное число полос, па:раллельных базису, выборку из каждого. стереокадра соответственной поло сы, расположенной на одной и той же координате, отсчитываемой от центра кадра в направлении, перпендикуляр ном полосам, определение среднего абсолютного отклонения яркостей точек, принадлежащих соответственным полосам разных стереокадров, сравнение его с заданным пороговым отклонением и вычисление координат точек наблюдаемых объектов, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью обеспечения возможности определения формы и положения объектов, имеющих в направлении наблюдения кру,тые уклоны или разрывы видимой по-, верхности, стереосъемку объекта осуществляют многостереопарной с

;общего прямолинейного базиса; объе- диняют соответственные полосы стереокадров в одну группу, располагая их параллельно друг другу со взаимным смещением на расстояния, пропорциональные расстояниям между центрами проектирующих систем, фор мируют число групп полос, равное числу полос в стереокадре, распо-. лагая группы так, чтобы полосы всех групп были параллельны, а порядок расположения групп соответствовал порядку. расположения полос в стереокадре, сканируют..полученное изображение по строкам, направленным под различными углами к полосам, выявляют отрезки строк сканирования, на которых величина среднего абсолютного отклонения яркостей точек не превосходит заданного порогового отклонения, определяют углы наклона этих. отрезков строк сканирования к полосам и.координаты точек пересечения отрезков строк с. полосами определенного кадра, а вычисление координат точек наблюдаемых объектов осуществляют по найденным значениям углов и координат точек пересечения.

921307

Изобретение относится к области фотограмметрии и может быть реализовано в автоматических стереофотограмметрических приборах, а, также в обзорно-информационных системах авто номных кибернетических устройств.

Известен способ, по которому для определения расстояния до некоторой точки наблюдаемого объекта измеряют относительное смещение (параллакс) идентичных точек на стереапаре. При автоматическом измерении координат .точек наблюдаемых объектов с помощью стереосистем устанавливают соответствие (идентификацию) между изображениями точек наблюдаемых объектов на разных стереокадрах (.1 1.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ автоматического измерения координат точек наблюдаемых объектов L23, в котором .идентичность двух точек на стереопаре устанавливают путем сравнения их яркостей. При этом производят стереосъемку объекта с помощью двух телекамер, главные оптические оси которых перпендикулярны базису и параллельны между со. бой. Полученные с помощью такой Системы два стереокадра ориентированы один относительно другого таким образом, что имеющиеся на каждом йэ них идентичные точки лежат на одной прямой, параллельной базису съемки. Для. установления идентичности точек изображения правого и левого кадров достаточно испольэовать одну полосу. из каждого кадра.

Эти полосы (соответственнные) должны быть ориентированы параллельно базису и расположены на одной координате, отсчитываемой от центра кадра в направлении, перпендикулярном к ним.

Идентификацию осуществляют путем определения разности яркостей двух точек изображения, каждая из .которых выбирается с одной иэ двух соответственных полос.

Однако в тех случаях, когда на- . блюдаемый объект имеет разрывы видимой поверхности или крутые- уклоны в направлении наблюдения, видеоинформация, содержащаяся в двух стереокадрах, недостаточна для определения формы и положения объекта, так как при этом на одном. кадре стереопары наблюдаются точки, отсутствующие на другом. Видеоин, формация, соответствующая таким местам, может быть обработана различными эвристическими методами, но они имеют слабую помехозащищенность и не могут работать в реальных услониях.

Целью изобретения является обеспечение возможности определения коор 2 г динат точек наблюдаемых объектов имеющих в направлении обзора крутые уклоны или разрывы видимой поверхности

Поставленная цель достигается тем

Ф что по.способу автоматического определения координат точек наблюдаемых объектов, включающему проведение стереосъемки объекта идентичными проектирующими системами, главные

10 оси которых перпендикулярны базису и параллельны между собой, деление каждого стереокадра на равное число полос, параллельных базису, выборку иэ каждого стереокадра соответствен15 ной полосы, расположенной на одной и той же координате, отсчитываемой от центра кадра в направлении, перпендикулярном полосам, определение среднего абсолютного отклонения яркостей точек, принадлежащих соответственным полосам разных стереокадров, сравнение его с заданным пороговым от. отклонением и вычисление координат точек наблюдаемых объектов, стере-. осъемку объекта осуществляют многостереопарной с общего прямолинейного базиса, объединяют соответственные.полосы стереокадров в одну группу, .располагая их параллельно друг другу..со взаимным:смещением на

З0 расстояния, пропорциональные расстояниям между центрами проектирующих систем, формируют число групп по« лос, равное числу полос в стереокадре, располагая группы так, чтобы

35 полосы всех групп были параллельны, а порядок расположения групп соответ ствовал порядку расположения полос в стереокадре, сканируют полученное вторичное изображение по строкам, 4р направленным под различными углами к полосам, выя(вляют отрезки строк сканирования, на которых величина среднего абсолютного отклонения яркостей точек не превосходит задан45 ного поРогОвогО отклонения, определяют углы наклона этих отрезков строк сканирования к полосам и координаты точек пересечения отрезков строк с полосами определенного кадра, а вычисление координат точек

-наблюдаемых объектов осуществляют по найденным значениям углов и.координат точек пересечения.

На фиг.1 дана схема построения вторичного иэображения для одной

55 группы полос; на фиг.2 - схема отображения точек места разрыва видимой поверхности в точки, расположенные на полосах одной группы вторичного изображения. ц) Для доказательства указанного выше свойства параллакспанорамограммы и вывода функциональных зависимостей. пространственных координат наблюдаемых точек от расположения отрезков 5 прямых, на которых лежат соответ921307 к М „„„ N (, мин

Zp =К г,аг, 1 ствующие точки вторичного изображения, введем три вида систем декартовых координат (см.фиг.1).

1. Пространственная система координат XYZ .. Начало ее совпадает с одним из проектирующих центров, ось OY - с главной оптической осью этого проектирующего центра, ось

ОХ - с базисной прямой, а направле" ние оси 02 выбирается в соответствии с правой системой координат.

2. Экранные системы координат стереокадров первичного иэображения.

Начала их расположены в центрах соответствующих кадров, за которые . приняты точки пересечения соответствующих главных осей с плоскостью стереоиэображений. Оси 0; Х; параллельны базисной прямой, а оси О; 24 перпендикулярны ей. Направление этих осей соответственно противоположно направлению осей 0Х и 0Z ° .

3. Экранная система координат вторичного изображения. Начало ее совпадает с точкой вторичного иэображения, соответствукщей центру нулевого стереокадра, у которого проектирующий центр служит началом сис.тевва координат ХЧ2 . Ориентация. осей

ОХ> и 02р задается относительно полос соответствующей ориентации. осей

01Х; и 012„.

Произвольно расположенная наблю даемая точка М с координатами Мч2 проектируется i-м обьективом на соответствукщий экран в точку rn,. с координатами, х-в

f Ч ° (1}

2 =f —. (2)

Ч где Ю - расстояние от оптического центра до экрана;

B; - смещение i-го объектива по . оси ООХ от начала координат.

На втоРичном изображении каждая точка г 1. отобразится в точку п1, с координатами

° °, х =х,. +л2, ctqd, (з) где а2 - смещение полосы по оси Zp.

1 t относительно соответствую щей полосы той же группы, выбранной из нулевого стереокадра; а(- угол заданного направления относительного смещения полос одной группы;

К - коэффициент изменения ко2 ординат 2;.

Из условия расположения полос одной группы следует ьг =к в,, (s) где К - масштабный коэффициент,"

Эначения коэффициентов k2 и К® определяются нз условия отсутствия ,взаимного перекрытия полос шириной о на вторичном изображении:

0 э лв (6) мин где ь6 „„-. взаимное расстояние, ближайших проектирукицих центров;

15 ab „ — взаимное расстояние между крайними проектиру ющими. центрами;

)1i - число полос,. на которое разбивается каждый сте26 " реокадр; и - число полос, выбираемых из каждого стереокадра для построения вторич-ного изображения.

Смещение изображения точки т отНОСИтЕЛЬНО ТОЧКИ 111з ПО НаПРаВЛЕНИЮ оси ОХр ах = х,-х .+в2. «ф0С. (8)

1 1

О

Из фотограмметрии для используемой схемы проекции известно, что

В; х.— х

i 0 (9)

После подстановки формул (5)-, и

;(8) и полученного результата в формуле (9) можно найти

Ах о

Ь2; КВЧ

=- +ctg а(. (10) Учитывая, что a ZI — é2 ð. и что отношение-.йХ д p .. является котанР1 / о генсом угла ), наклона прямой, проходящей через точки гп и m>., 1

IIOJI HM etc p. =- + ctgo(. (м) .

KSY

Так как правая часть этой формулы остается постоянной при переходе от одной точки изображения к дру55 гой точке, т.е. не изменяется с изменением.индекса 1, то этим доказывается, что все точки п1 . лежат

1 на одной прямой с углом наклона (Ь. Следовательно, координата дальносЩ ти определяется по известному углу наклона прямой, на которой расположены .соответствующие точки

Ч -„. (<21

)(<((-«И) 921307

Остальные координаты определяются, например, по координатам иэображения точки М на полосе, выбранной из нулевого стереокадра ().0)

Х

Х= — ч ((з) (o

1 центрами тех проектирукицих систем; с. помощью которых были получены содержащие эти полосы стереокадры.

Число таких групп должно соответствовать числу полос в одном стереокадре. Из них.составляют вторичное иэображение, располагая в нем груп-. пы полос так, чтобы их полосы были параллельны, а порядок расположения групп соответствовал порядку расположения полос, выбранных из одного стереокадра, внутри этого кадра.

Затем сканируют это изображение по строкам, направленным под различны.ми углами к полосам. Определяют среднее абсолютное отклонение яркостей на отрезках строк сканирования, .пересекающих полосы одной группы.

Для тех отрезков, в которых укаэанные отклонения не превосходят за-. данного порогового значения, находят углы их наклона и координаты одной. иэ этих точек, например точки пере, сечения с полосой, выбранной из стереокадра с нулевым номером, и используют найденные значения для определения пространственных коорди» нат наблюдаемых точек по формулам (12, 13, 14).

Эффективйость способа проявля-. ется в случаях съемки физических тел с разрывом видимой поверхности, или на участках с крутыми уклонами в направлении съемки. Следует .отме-. тить, что именно эти места видимых поверхностей важны для последующего анализа,"позволяющего определить форму и положение снимаемых объектов. Кроме .того, из-за наличия шумов при считывании видеосигналов равенство яркостей можно определить только с некоторой погрешностью, что приводит к размыванию границ наблюдаемых поверхностей и возмож-, ности появления ложно идентифицированных точек: изображений, т.е. таких точек иэображений, которые соответствуют двум различным точкам объекта, имекхцим приблизительно одинаковые яркости. Влагодаря многостереопарной съемке вероятность ложных идентификаций резко снижается и детальнее выявляются резервы и края видимых поверхностей.

На фиг.2, показана: схема проек. тирующих лучей, проходящих через центры 0„2-02, для случая съемки некоторой поверхности с участком видимого разрыва, на котором указаны характерные точки 4, В и С которым соответствуют на полосах вторичного изображения точки (- 2 ° o +«aZ ) (Ъок Ъ.(Ь2 ) и (с„., С С.,, Ñ2 )... .Иэ, чеРтежа видно, что по способу, принятому за прототип, в котором используется толь- ко..два стереокадра и, следовательно, две соответственных крайних

z, 2= — Y к,е где;Л вЂ” заданное пороговое отклоне-; ние. 30

Для двух точек иэображения сред-, няя яркость будет

5 =«),(St„+32.} (П)

35 и среднее абсолютное отклонение у (5 -- (вБд((5 --(В+Я -1В -Б 1 (18),>

1 т.е. в этом случае ю5 . сводится к 46 абсолютному значению разности.яркостей, что и используется s способе,. принятом за прототип.

Таким образом, по способу автоматического измерения координат 45 точек наблюдаемых объектов .произ» водят многостереопарную сьемку объекта с общего прямолинейного базиса.

При этом все проектирукщие системы должны быть. одинаковы, а их главные оси перпендикулярны базису съемки и параллельны между собой. Разбивают каждый стереокадр иа равное. количество полос,.параллельных ба»

5 ра выбирают по одной полосе, pac " положенной иа одной и той же координате, отсчитываемой от центра кадра в направлении, перпендикулярном полосам и одинаковом для всех кадров. Выбранные таким образом полосы" 40 объединяют в одну группу, располагая их параллельно друг другу с. относительным смещением полос в заданном направлении на расстояния, пропорциональные расстояниям между Я

Определение степени однотонности .точек изображения на отрезке прямой производят, сравнивая среднее абсолютное отклонение яркости точек с.. заданным пороговым отклонением Е . . 15

=Х СI5,. 8 146, В)1 где 9; — яркость (»й точки) ",р

9 р- средняя яркость и точек.

Для однознаяного определения от резка проверяется отклойение его средней яркости от средней яркости параллельного отрезка соседней строки " (

921307 полосы показанной группы, можно оп . ределить только координаты точки

A к точек, лежавших правее С и леsee A, но »невозможно определить ко-. ординаты точек на участке 9С, так как нх изображений нет на левом стереокадре. Следовательно,, наибольший уклон видимой поверхности относительно плоскости стереокадров, который при этом может быть найден, определяется углом AO»20о. Более крутые уклоны и разрыв видимой. поверхности невозможно раэличить| пользуясь известными способами ° При-. менение: способа позволяет выявить подробнее детали поверхности:. величину укЛона или глубину разрыва. Соответствукщие точкам А., В.к. С изоб ражения (а=2 а 1 ао к„, аг (Ь Ь, Ь ) и (cygggg cq g cg 1. e*a на отрезках пряваас с раэличнъики уг- лаМи наклона. Отрезкк Ъ - Ь2и о

; a<- с пересекаются с отрезком а2- а2 т.е. скачкообразное изме: нение наклонов соседних отрезков, которое и показывает разрыв види:мой поверхности, причем по величине изменения наклона можно определить глубииу разрыва. В случае Кру" того уклона наблюдаемой поверхнос(ти на вторичном изображении иаблюда ется веер™. наклонных полос, образуемых изображениями снятых точек.

По углам расходимости веера можно судить о степени уклона.

Таким образом, при исследовании объектов предлагаемый способ позволя.ет автоматически детально исследо- . э вать поверхности физических тел, в том числе в местах разрыва кли крутых уклонов видимой поверхности и уменьшить эффект раэмаэыванкя- краев наблюдаемых поверхностей к

10 вероятность ложных идентификаций.на- .

° блюдаемых точек.

Способ может быть сравнительно просто реалиэовай с помощью извест- ных технических средств. Например, 35 для получения вторичного иэображения могут быть использованы волоконно-оптические элементы . Плоские ленты из таких элементов должны быть расположены так, чтобы их начальные

2О торцовые части находились в экран-, . ной плоскости стереокадров, на мес.те выбираемах строк, а концевые части были собраны в общкй коллектор в соответствик с предлагаемым спосозя .бом.

Способ может быть использован в системах технического,зрения роботов и подвижных аппаратов. Он может.

ЗО,быть также применен при анализе стереоизображений, полученных при съемке с коемических аппаратов.

921307

Составитель В.Васильев

Редактор Л.утехина . Техред Т.фанта Коррек тор,М. Демчи к Заказ 8145/4 Тираж 602 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, X-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4