Способ определения дальности до объекта, его высоты и ширины

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА,ЕГО ВЫСОТЫ И ШИРИНЫ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Козлов Владимир Леонидович Кузьмичев Илья Романович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ определения дальности до объекта, его высоты и ширины, заключающийся в том, что получают два цифровых фотографических изображения измеряемого объекта из двух точек, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, на полученных изображениях формируют по окну сканирования с одинаковыми координатами,размер которых выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов измеряемого объекта была меньше инструментального разрешения по дальности,осуществляют сканирование одного окна относительно другого с шагом в один пиксель фотоприемной матрицы используемой фотокамеры по горизонтали и вертикали, определяют точку расположения максимума корреляционной функции, в области которой строят 16426 1 2012.10.30 сетку ячеек, соответствующих узлам интерполяции, и осуществляют повторное сканирование с шагом 1 пикселя, где- целое число от 5 до 20, причем область выбирают шириной и высотой не менее двух пикселей, осуществляют уточнение расположения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением,- значения координат точки расположения максимума корреляционной функции по горизонтали и вертикали(, ) - значения интенсивности в точке расположения максимума корреляционной функции(1, ), (,1), (1,1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках к точке расположения максимума корреляционной функции затем осуществляют локализацию максимума между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами в соответствии с выражением 12 12 (1 )22 1 (1 ),2 (1)(1 )(1 )(1 ) где- сдвиг между изображениями объекта по горизонтали 1, -1,1, -1 - координаты и интенсивности узлов сетки, соседствующих с узлом сетки с максимальным значением интенсивности, , - координата и интенсивность узла сетки с максимальным значением интенсивности а дальностьдо объекта определяют из выражения где- фокусное расстояние используемой фотокамеры- расстояние между точками фотографирования а высотуи ширинуобъекта определяют из выражений, где ,- размеры объекта на фотоприемной матрице по вертикали и горизонтали. Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым изображениям. Известен способ измерения дальности и линейных размеров объектов, основанный на формировании стереопары цифровых изображений измеряемого объекта 1, при этом дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями. Недостатком такой системы является невысокая точность измерений. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения расстояний до объекта 2 с использованием двух цифровых фотокамер, разнесенных по горизонтали на известное расстояние. Дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями, при этом необходимо знать расстояние между фотокамерами и фокусы объективов камер. Недостатком этого способа является низкая точность измерения даль 2 16426 1 2012.10.30 ности, обусловленная тем, что сдвиг между изображениями на фотоприемной матрице определяется только с точностью до одного пикселя. Задача изобретения - повышение точности измерений расстояний. Решение поставленной задачи позволит использовать изобретение для измерения расстояний и размеров объектов как для решения задач криминалистики, так и для решения задач геодезии, строительства и т.п. Поставленная задача решается в способе измерения расстояний на цифровой фотокамере, заключающемся в том, что получают два цифровых фотографических изображения измеряемого объекта из двух точек, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние, на полученных изображениях формируют по окну сканирования с одинаковыми координатами, размер которых выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов измеряемого объекта была меньше инструментального разрешения по дальности, осуществляют сканирование одного окна относительно другого с шагом в один пиксель фотоприемной матрицы используемой фотокамеры по горизонтали и вертикали, определяют точку расположения максимума корреляционной функции, в области которой строят сетку ячеек, соответствующих узлам интерполяции, и осуществляют повторное сканирование с шагом, равным 1 /пикселя, где- целое число от 5 до 20, причем область выбирают шириной и высотой не менее двух пикселей,осуществляют уточнение положения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением(,)(1)(1)(,)(1)(1,)(1)(,1)2(1,1),где (,) - интенсивность узла сетки ,- координаты максимума корреляционной функции по горизонтали и вертикали ,- горизонтальный и вертикальный индексы узла (, ) - значение интенсивности в точке расположения максимума корреляционной функции (1, ), (,1), (1,1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках к точке расположения максимума корреляционной функции затем осуществляют локализацию максимума между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами в соответствии с выражением 12 12 (1 )22 1 (1 ),2 (1)(1 )(1 )(1 ) где- сдвиг между изображениями объекта по горизонтали 1, -1,1, -1 - координаты и интенсивности узлов сетки, соседствующих с узлом сетки с максимальным значением интенсивности ,- координата и интенсивность узла сетки с максимальным значением интенсивности а дальностьдо объекта определяют из выражения, где- фокусное расстояние используемой фотокамеры- расстояние между точками фотографирования а высотуи ширинуобъекта определяют из выражений где ,- размеры объекта на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали. Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, - это повышение точности измерения расстояний, обусловленное тем, что в прототипе сдвиг между изображениями определяется с точностью в один пиксель, а в предлагаемом изобретении разрешение при определении сдвига составляет сотые доли пикселя, что повышает точность измерения расстояний. 16426 1 2012.10.30 Сущность способа измерений поясняется с помощью фигуры, на которой представлена функциональная схема измерителя расстояний на основе цифрового фотоаппарата. Система содержит измеряемый объект 1, два цифровых фотоаппарата, состоящих из линз 2 и фотоприемных матриц 3, 4 соответственно, вычислительный блок 5. Измеритель расстояний работает следующим образом. С помощью цифровых фотоаппаратов на фотоприемных матрицах 3 и 4 реализуются цифровые изображения измеряемых объектов. Полученные два цифровых изображения одних и тех же объектов поступают в вычислительный блок, где производится измерение расстояний по следующему алгоритму. На первом изображении формируется окно сканирования, размер которого выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов выделенного объекта была меньше инструментального разрешения по дальности. Если поверхность объекта является плоскостью, перпендикулярной горизонтали и оси наблюдения, то все точки плоскости будут находиться на одинаковом расстоянии от объектива. Если предмет имеет объемную форму, то необходимо на нем выделить плоскую поверхность. Автоматически окно сканирования с такими же координатами формируется и на втором снимке. Затем осуществляется сканирование одного окна относительно другого по горизонтали и вертикали. Каждую итерацию окно сдвигается на пиксель вдоль осей в системе координат изображения и вычисляется соответствующее значение корреляционной функции. По положению максимального значения нормированной корреляционной функции определяют сдвиг между изображениями 2-1. Так как все точки объекта в выделенном окне находятся на одинаковом расстоянии и осуществляется нормировка по величине среднего значения сигнала, то при полном совпадении изображений корреляционная функция будет близка к единице. Дальностьдо выделенной области объекта определяется из выражения где- расстояние между фотокамерами,- фокусное расстояние фотокамер. Аналогичным образом определяются расстояниядо всех объектов, попавших в поле зрения фотокамеры. Система также позволяет измерять высоту и линейные размеры объектов. Это осуществляется следующим образом. Определив значение расстояния до объектаи размеры этого объекта на фотоприемной матрицепо горизонтали ипо вертикали, ширину объектаи высотуопределяют из выражений Вычислительный блок с помощью геометрии полученных изображений объектов может также осуществить измерение расстояний между объектами на цифровой фотографии. Так как сканирование одного окна относительно другого осуществляется со сдвигом на один пиксель вдоль осей координат, то положение максимума корреляционной функции и, следовательно, сдвиг между изображениями определяются также с точностью в один пиксель. Этот фактор значительно ограничивает точность измерения расстояний. Для повышения точности необходимо определять положение максимума корреляционной функции (сдвига ) в пределах одного пикселя. Для уточнения величины сдвигав субпиксельном диапазоне используется билинейная интерполяция сигнала с заданным шагом, алгоритм которой заключается в следующем. Обычно область уточнения выбирается шириной и высотой в два пикселя. В точке максимального значения корреляционной функции (, ), полученного на этапе грубой оценки с точностью в один пиксель, строится сетка ячеек, соответствующих узлам интерполяции, и ведется повторное сканирование с шагом, равным 1/ пикселя, где- целое число (520). Таким образом, вычисляется значение корреляционной функции для 2 узлов сетки. Интенсивность (,) узла сетки вычисляется из выражения(3)(1)(,1)2(1,1),где 1 /- шаг сетки ,- горизонтальный и вертикальный индексы узла соответственно (, ) - максимальное значение корреляционной функции, (1, ), (,1),(1,1) - значения интенсивности корреляционной функции в точках, ближайших к максимальному. Затем производится коррекция ошибки при помощи параболической интерполяции между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами, локализирующая максимум параболы в заданном интервале. Допустим, найден узел сетки с максимальным значением интенсивностии координатой . А его соседние узлы с координатами 1 и -1 имеют значения интенсивности 1 и -1 причем 1 и -1. Для уточнения величины смещения на заданном интервале проводится локализация максимума путем параболической интерполяции в соответствии с выражением 12 12 (1 )22 1 (1 )(4) 2 (1)(1 )(1 )(1 ) Очевидно, что билинейная интерполяция дает разрешение в пределах одного пикселя,равное 1/, а параболическая интерполяция имеет относительную погрешность 17 . Следовательно, если взять 1015, то разрешение при определении сдвига составит величину в сотую долю пикселя. Таким образом, за счет использования предложенной методики субпиксельной интерполяции достигается повышение точности измерения расстояний в результате анализа двух цифровых фотографических изображений, полученных с двух точек, разнесенных в пространстве по горизонтали. 1. Грузман И.С. и др. Цифровая обработка изображений в информационных системах. Новосибирск НГТУ, 2000. - 168 с. 2.5432594, МПК 01 С 3/00, 1995. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.