 |
||
|
||
Использование цифровых фотокамер для определения высоты над неровной поверхностью
А. В. Золотарь, А. В. Небылов
Государственный университет аэрокосмического приборостроения,
г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67
Abstract — The article contains the description of some theoretical aspects of automatic distance determination up to an actual physical object or its separate plots with using of optical images of an object. The digital cameras are used as the hardware. The photographic images of physical object or its fragments being obtained by two cameras simultaneously from different points or by one camera at the different moments. The analysis of appropriate digital photos allows to determine visible fragments scales modification and to calculate a distance up to them. Some optical system characteristics influence to distances determination accuracy is considered explicitly.
1. Введение
Задача определение расстояния до объекта с использованием фотокамер хорошо известна [1–4]. Фотографии объекта должны быть сделаны из двух или более разных точек с использованием нескольких фотокамер или при перемещении одной фотока меры относительно объекта. Фотографии должны содержать достаточную информацию для идентификации характерных точек объекта. Если проанализировать смещение одних и тех же точек на фотографиях, сделанных из разных точек пространства, то, решая тригонометрич ескую задачу, можно вычислить искомое расстояние.
Указанная задача может иметь в своей постановке два существенно разных варианта:
а) характеристики объекта известны заранее; данные о нем могут быть записаны в блок обработки информации для оперативного сравнения с текущими цифровыми фотографиями; в таком случае достаточно иметь одну фотокамеру;
б) информация о фотографируемом объекте или его фрагментах заранее неизвестна; идентификация характерных точек и определение расстояния должны быть произведены в реальном масштабе времени.
В дальнейшем будем рассматривать второй вариант. В частности, рассмотрим задачу определения расстояния до неровной поверхности (земной или водной) с помощью двух фотокамер. При этом информацию об объекте несет черно-белый или цветной р исунок поверхности с характерными фрагментами.
В простейшем случае две фотокамеры могут располагаться слева и справа друг от друга на равном расстоянии от объекта. В этом случае анализируется смещение различных фрагментов на фотографиях, полученных каждой фотокамерой. Фотокамеры та кже могут быть расположены соосно относительно изучаемого объекта, но на разном расстоянии. Линейные размеры соответствующих цветовых фрагментов на таких фотографиях, вообще говоря, различны. По изменению масштабов наблюдаемых фрагментов можно вычислить расстояние до поверхности. При этом важно оценить точность вычисленного расстояния в зависимости от технических параметров системы: размеров фотографий, расстояния между ближней и дальней фотокамерами и т. д.
Выделение и сравнение между собой соответствующих цветовых фрагментов на ближней и дальней фотографиях является наиболее сложным этапом в решении этой задачи.
Возникает вопрос, какое расположение фотокамер относительно поверхности обеспечивает большую достоверность определения расстояния: стереопара или камеры, расположенные на одной оптической оси одна ближе, другая дальше от поверхности. Т ехнически легче реализовать первый вариант, но надежней второй вариант. Причина этого заключается в том, что изображение участка поверхности на ближней фотографии полностью содержится в фотографии, сделанной с удаленной камеры. При сравнении двух фотогра фий, выполненных стереопарой, видно, что на каждой из них есть изображения тех участков поверхности, которых нет на другой фотографии. Если отсутствует априорная информация о фотографируемом участке, а рассматривается именно этот случай, то повышается ве роятность ошибки при определении смещения общих фрагментов изображенного участка поверхности. Другим важным аспектом является фактор времени. Если фотокамеры быстро перемещаются относительно поверхности, возникает проблема быстрого сравнения двух фотогра фий.
2. Схема решения задачи
Даны две софокусные фотографии поверхности, сделанные с разных расстояний. Требуется определить расстояние до сфотографированной поверхности, используя различие в размерах рисунков или их фрагментов на дальней и ближней фотографиях . Для корректного решения поставленной задачи необходимо рассмотреть факторы, которые оказывают влияние на точность решения. К ним, в первую очередь, относятся размеры и четкость рисунка на фотографиях, а также разрешение фотокамеры. Пусть
b — расстояние между камерами, S — точка, в которой находится фотокамера (ближняя или дальняя), D — среднее р асстояние от ближней камеры до поверхности (рис. 1). Надо определить D.
С приемлемой точностью можно считать, что изображения поверхности на обеих фотографиях центрально подобны и, следовательно, ближней фотографии соответствует некоторый центральный фрагмент (подмножество пик селей RGB) дальней фотографии. Размеры обеих фотографий в пикселях одинаковы. Ясно, что фрагмент дальней фотографии, соответствующий изображению на ближней фотографии, содержит меньше пикселей, чем дальняя фотография.
Поиск масштаба, при котором достигается наибольшее соответствие между ближней фотографией и ее фрагментом в дальней фотографии, состоит в последовательном пропорциональном уменьшении размеров ближней фотографии и сравнении ее с подмнож еством такого же размера в дальней фотографии.
Преобразованная фотография сравнивается с различными подмножествами дальней фотографии путем вычисления коэффициента корреляции между ними. Масштабный коэффициент K > 1, который связывает л инейные размеры дальней и ближней фотографий и при котором достигается наибольший коэффициент корреляции, используется для определения величины D.
Пусть ?
(pSq) — угол, под которым виден отрезок |pq| на поверхности из дальней камеры. ? (MSN) — угол, под которым тот же отрезок виден из ближней камеры. Так как угловые апертуры ближней и дальней камер одинаковы, то на ближней фотографии диаметру |MN| соо тветствует отрезок |PQ|, который виден под тем же углом, что и отрезок |pq| на дальней фотографии (|pq|=|MN|). Отсюда легко найти D:|MN| / |PQ| = (D + b)/D = 1+b/D = K
или
D = b/(K – 1).
Определение расстояния до поверхности в целом основано на предположении, что на фотографиях видны крупные и, быть может, нечеткие рисунки. Исходя из этого, производится поиск коэффициента
K .Исключительно важной является временная характеристика алгоритмов сравнения. Были проведены многочисленные эксперименты по сравнению пар цифровых фотографий одних и тех же объектов. Размеры фотографий были 640*480 пикселей, тип — RGB. Для надежного определения расстояния требовалось порядка 20—30 сек. работы процессора Р-90. Следовательно, практическое использование цифровых камер для определения расстояний может потребовать распараллеливания процесса срав нения фотографий.
По результатам проведенного анализа можно сделать вывод о высокой критичности результатов определения расстояния до поверхности к качеству фотографий, к размерам, формам, яркости рисунков на фотографиях.
Литература
| Site of Information
Technologies Designed by inftech@webservis.ru. |
|