Алгоритмическое обеспечение системы измерения пространственного положения объекта вблизи водной поверхности

Размещено на http://www.allbest.ru/

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ СИСТЕМЫ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ВБЛИЗИ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ Научный руководитель д.т.н., проф. А. В. Небылов

Д.Ю. Крысин

(Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения)

Рассматривается алгоритмическое обеспечение системы технического зрения, предназначенной для измерения пространственного положения объекта вблизи невзволнованной водной поверхности.

пространственный высота водная поверхность

Введение. В [1] была представлена система технического зрения (СТЗ), предназначенная для измерения высоты и угловой ориентации объекта вблизи невзволнованной водной поверхности. Предлагаемый доклад содержит описание соответствующего алгоритмического обеспечения, а также некоторые экспериментальные результаты.

Алгоритмическое обеспечение. Обобщенная блок-схема алгоритма вычисления пространственного положения объекта относительно зеркальной водной поверхности представлена на рис. 1. В соответствии с приведенной блок-схемой алгоритм может быть разбит на 6 основных этапов, которые кратко описаны ниже.

Этап 1 служит для получения стереоскопических изображений водной поверхности с помощью цифровых камер СТЗ.

Этап 2 включает предварительную обработку изображений, сегментацию изображений, распознавание и определение плоских координат фотоизображений опорных элементов объекта. Сегментация является принципиально важной процедурой. Существуют различные способы ее выполнения [2]. При проведении экспериментов положительные результаты были получены с помощью цветовой сегментации в векторном пространстве RGB на базе вычисления расстояния Махаланобиса.

Этап 3 включает процедуры, связанные с ассоциированием фотоизображений опорных световых элементов с их оригиналами. В качестве опорных могут быть использованы любые контрастные элементы объекта, попадающие на стереоизображения. Источники света имеют преимущество по причине простоты распознавания и обеспечения работы системы в условиях недостаточного естественного освещения.

Этап 4 необходим для вычисления пространственного положения мнимых зеркальных изображений световых элементов в фотограмметрических системах камер. Данная задача сводится к определению пространственных координат точки по координатам ее фотоизображений на стереоснимках. Исходными данными являются плоские координаты световых элементов на полученных снимках, а также элементы внутреннего и внешнего ориентирования стереопары.

Этап 5 включает процедуры вычисления пространственного положения объекта относительно водной поверхности. Используются законы геометрической оптики. Угловая ориентация относительно зеркальной поверхности вычисляется с использованием свойств скалярного произведения векторов. Углы крена и тангажа могут быть вычислены с использованием элементов матрицы направляющих косинусов.

Этап 6 необходим для визуального вывода информации о высоте и угловой ориентации объекта относительно водной поверхности. При необходимости возможно формирование оповещений о нежелательном режиме движения объекта.

Нужно отметить, что если зеркальная поверхность не является плоской, то для вычисления искомых геометрических параметров необходимо иметь данные о ее кривизне. Рассмотренный алгоритм может дать корректные результаты только в частном случае, когда лучи, формирующие изображения световых элементов, отражаются от двух настолько близкорасположенных точек поверхности, что участок, внутри которого находятся эти точки, может быть с определенной точностью аппроксимирован плоскостью.

Рис. 1. Обобщенная блок-схема алгоритма

Экспериментальная установка. Для проверки алгоритмического и программного обеспечения была разработана специальная экспериментальная установка (рис. 2), представляющая собой реализацию СТЗ, структура которой была представлена в [1]. Установка включает следующие основные части: штатив, СТЗ (две цифровые USB-камеры, а также массив светоизлучающих диодов) и персональный компьютер, используемый в качестве вычислительного блока.

Рис. 2. Экспериментальная установка

Программно-алгоритмическое обеспечение было реализовано в средах Matlab и Simulink. Модель Simulink, представленная на рис. 3, является реализацией алгоритма, изображенного на рис. 1. Его тестирование было выполнено на стереоизображениях, полученных опытным путем с помощью представленной экспериментальной установки.

Рис. 3 Модель Simulink

Экспериментальные результаты. При проведении экспериментов достигнутая точность измерения высоты относительно зеркальной водной поверхности составила 8-15 мм (на высотах 500-1000 мм и углах наклона ±10 градусов). Погрешность измерения углов не превышала 1 градуса. Период дискретизации составлял 600-700 мс.

Во время лабораторных экспериментов в стационарных условиях случайная составляющая погрешности практически отсутствовала. Были получены зависимости систематических составляющих погрешностей измеряемых параметров от их величины.

Можно предложить следующие возможные методы повышения точности измерения: использование камер с более высокими техническими характеристиками; увеличение точности калибровки камер; повышение числа камер СТЗ; увеличение числа опорных элементов; повышение точности определения положения опорных элементов в фотограмметрических системах координат камер; модернизация программно-алгоритмического обеспечения; использование дополнительной информации о динамике объекта.

В процессе анализа факторов, влияющих на точность измерений, была выявлена значительная зависимость погрешности от точности определения пространственного положения опорных световых элементов. После монтажа требуемые координаты известны только приблизительно, что обусловлено технологической неточностью установки световых элементов и камер относительно несущей конструкции СТЗ, а также отсутствием точной информации о положении центров фотографирования относительно корпусов камер. Для решения данной проблемы была разработана специальная процедура по определению пространственных координат опорных элементов. Вместо водной поверхности в качестве вспомогательного элемента использовалось плоское зеркало. В процессе калибровки зеркало устанавливалось в заранее известные пространственные положения, в которых выполнялись стереоснимки. С помощью обработки полученных стереоснимков вычислялись искомые координаты световых элементов. В целом, разработанная процедура является способом определения пространственного положения объектов, находящихся вне поля зрения камер СТЗ. После ее выполнения точность вычисления высоты относительно зеркальной поверхности была повышена на 3-5 %. Предполагается, что данный результат может быть улучшен после решения задачи оптимизации процесса калибровки.

С целью уменьшения периода дискретизации измерений дополнительно была исследована возможность использования измерительной информации от других навигационных измерителей, имеющихся на борту летательного аппарата. В частности, была рассмотрена целесообразность комплексирования с инерциальными навигационными системами. Было установлено, что наличие автономных данных об относительном перемещении объекта позволяет решить обратную задачу и выделить области стереоизображений, содержащие опорные элементы. В результате время рабочего цикла сокращается и повышается надежность измерений. Проведенное моделирование показало уменьшение длительности рабочего цикла на 10-40 %.

Заключение. Экспериментальная проверка разработанного программно-алгоритмического обеспечения подтвердила работоспособность и эффективность предложенного метода измерения пространственного положения объекта вблизи водной поверхности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крысин Д.Ю. Измеритель параметров полёта над водной поверхностью// Сборник материалов XII конференции молодых ученых «Навигация и управление движением». СПб.: ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2010.

2. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005.

Размещено на Allbest.ru