RU2769637C1 - Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof - Google Patents
Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2769637C1 RU2769637C1 RU2021106692A RU2021106692A RU2769637C1 RU 2769637 C1 RU2769637 C1 RU 2769637C1 RU 2021106692 A RU2021106692 A RU 2021106692A RU 2021106692 A RU2021106692 A RU 2021106692A RU 2769637 C1 RU2769637 C1 RU 2769637C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- targets
- videogrammetric
- coordinates
- surveying
- determining
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C11/00—Photogrammetry or videogrammetry, e.g. stereogrammetry; Photographic surveying
- G01C11/36—Videogrammetry, i.e. electronic processing of video signals from a single source or from different sources to give parallax or range information
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aiming, Guidance, Guns With A Light Source, Armor, Camouflage, And Targets (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в координатно-измерительных устройствах и системах технического зрения для определения собственных координат и ориентирования в пространстве относительно трех визирных целей, мигающих с заданными частотами, которые располагаются в горизонтальной плоскости на одинаковом расстоянии друг от друга.The invention relates to measuring technology and can be used in coordinate measuring devices and vision systems to determine their own coordinates and orientation in space relative to three sighting targets flashing at specified frequencies, which are located in a horizontal plane at the same distance from each other.
Известна система [1], предназначенная для пассивного определения координат источника излучения (горизонтального угла, угла возвышения и расстояния) посредством двух идентичных инфракрасных устройств пассивного типа для панорамного наблюдения (видеокамер). Видеокамеры в данной системе располагаются на одной общей вертикальной оси, вокруг которой они могут синхронно вращаться, и на известном друг от друга расстоянии таким образом, что их оптические оси всегда находятся в одной вертикальной плоскости. При этом расстояние определяется методом триангуляции по получаемым от каждой из камер углам видимого смещения источника излучения. Недостатками этого технического решения является невозможность определения собственных координат системы по одному источнику света и необходимость применения двух видеокамер, что увеличивает габариты системы и снижает ее надежность.Known system [1], designed to passively determine the coordinates of the radiation source (horizontal angle, elevation angle and distance) by means of two identical infrared devices of a passive type for panoramic surveillance (cameras). Video cameras in this system are located on one common vertical axis, around which they can rotate synchronously, and at a distance known from each other in such a way that their optical axes are always in the same vertical plane. In this case, the distance is determined by the method of triangulation according to the angles of the visible displacement of the radiation source received from each of the cameras. The disadvantages of this technical solution is the impossibility of determining the system's own coordinates from one light source and the need to use two video cameras, which increases the size of the system and reduces its reliability.
Наиболее близким к заявленному способу является принятый за прототип способ обратной угловой засечки [2], который может быть реализован с помощью теодолита или тахеометра для определения его собственных координат по трем визирным целям c известными координатами. Согласно этому способу, измеряются дирекционные углы исходного направления тахеометра на визирные цели и с помощью формул тригонометрии определяются координаты тахеометра. Недостатками этого технического решения являются необходимость в предварительном определении координат каждой визирной цели и отсутствие у тахеометра способности отличать эти визирные цели друг от друга. Кроме того, для обнаружения визирных целей в тахеометре используется источник лазерного излучения, которое не безопасно для органов зрения человека.Closest to the claimed method is adopted as a prototype method of reverse angular resection [2], which can be implemented using a theodolite or tacheometer to determine its own coordinates for three sighting targets with known coordinates. According to this method, the directional angles of the original direction of the tacheometer to sighting targets are measured, and the coordinates of the tacheometer are determined using trigonometry formulas. The disadvantages of this technical solution are the need for a preliminary determination of the coordinates of each sighting target and the total station's inability to distinguish these sighting targets from each other. In addition, to detect sighting targets in the total station, a source of laser radiation is used, which is not safe for the human eye.
Задачей изобретения является определение собственного положения в системе координат, образованной тремя визирными целями, без исходных данных об их координатах. При этом координаты должны определяться из любой точки пространства, в пределах прямой видимости визирных целей. Техническим результатом изобретения является автоматизация процесса определения собственных координат, а также конструкция системы, обеспечивающая более высокую скорость и безопасность работы.The objective of the invention is to determine its own position in the coordinate system formed by three sighting targets, without initial data on their coordinates. In this case, the coordinates must be determined from any point in space, within the line of sight of sighting targets. The technical result of the invention is the automation of the process of determining one's own coordinates, as well as the design of the system, which provides a higher speed and safety of work.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе определения собственных координат по трем визирным целям используется видеограмметрическая система, состоящая из видеограмметрического устройства и трех визирных целей, расположенных в горизонтальной плоскости на равном расстоянии друг от друга, которые мигают с заданными частотами, что позволяет видеограмметрическому устройству обнаруживать и различать их, вычислять азимутальные углы этих визирных целей, и по формулам тригонометрии определять собственные координаты.The problem is solved due to the fact that in the method of determining one's own coordinates by three target targets, a videogrammetric system is used, consisting of a videogrammetric device and three target targets located in a horizontal plane at an equal distance from each other, which flash at specified frequencies, which allows the videogrammetric device detect and distinguish them, calculate the azimuthal angles of these sighting targets, and determine their own coordinates using trigonometry formulas.
Заявленный технический результат достигается также тем, что характеризующими элементами системы для определения собственных координат, согласно изобретению, являются три визирные цели, которые мигают с разной частотой, а также видеограмметрическое устройство, состоящее из двухосевой платформы, цифровой видеокамеры, контроллера и встраиваемого компьютера.The claimed technical result is also achieved by the fact that the characterizing elements of the system for determining one's own coordinates, according to the invention, are three sighting targets that flash at different frequencies, as well as a videogrammetric device consisting of a two-axis platform, a digital video camera, a controller and an embedded computer.
Сущность способа и система, реализующая его, поясняются чертежами. На фиг.1 изображена сферическая система координат, образованная тремя визирными целями, фиг.2 - общий вид видеограмметрического устройства, фиг.3 - функциональная схема видеограмметрической системы, фиг.4 - принципиальная схема определения собственных координат видеограмметрического устройства: а) вид сверху; б) вид слева.The essence of the method and the system that implements it are illustrated by drawings. Figure 1 shows a spherical coordinate system formed by three sighting targets, figure 2 - general view of the videogrammetric device, figure 3 - functional diagram of the videogrammetric system, figure 4 - schematic diagram of determining the own coordinates of the videogrammetric device: a) top view; b) view from the left.
Сферическая система координат (r, θ, ϕ) с началом координат в геометрическом центре, образованном тремя визирными целями, которые расположены в горизонтальной плоскости на одинаковом расстоянии b друг от друга (фиг.1). Основными элементами системы являются видеограмметрическое устройство 1 и визирные цели 2. В состав видеограмметрического устройства (фиг.2) входят: штатив 3, трегер 4, двухосевая платформа 5, контроллер 6, встраиваемый компьютер 7, цифровая видеокамера 8, энкодеры 9, объектив 10.Spherical coordinate system (r, θ, ϕ) with the origin at the geometric center formed by three sighting targets, which are located in the horizontal plane at the same distance b from each other (figure 1). The main elements of the system are the
Функционирование видеограмметрического устройства (фиг.3) обеспечивается за счет встраиваемого компьютера 7, который служит для обработки видеоизображения и управления устройством. С его помощью определяется частота изменения яркости объектов на видеоизображении и обнаруживаются визирные цели 2. Посредством контроллера 6 формируются управляющие сигналы для двухосевой платформы 5 и производится наведение видеокамеры 8 на визирную цель 2. Главная оптическая ось видеокамеры 12 направляется на центр визирной цели 2. В результате этого визирная цель 2 с помощью объектива 10 проецируется на плоскость изображения видеокамеры 11. При этом центр проекции визирной цели 2 совпадает с началом координат D плоскости изображения видеокамеры 11. С помощью энкодеров 9 определяется направление (ω, λ) главной оптической оси видеокамеры 12. Результаты вычисления собственных координат устройства отображаются на встраиваемом компьютере 7.The operation of the videogrammetric device (figure 3) is provided by an embedded
Поиск визирных целей осуществляется путем изменения направления обзора видеокамеры (ω, λ) с угловым шагом, не превышающим ее углы обзора. Каждая визирная цель Vi имеет свою частоту мигания νi, излучая видимый свет в заданном диапазоне длин электромагнитных волн. При попадании визирной цели в поле зрения видеокамеры определяется цвет излучаемого ей видимого света и частота мигания.The search for sighting targets is carried out by changing the viewing direction of the video camera (ω, λ) with an angular step not exceeding its viewing angles. Each sighting target V i has its own flashing frequency ν i , emitting visible light in a given range of electromagnetic wavelengths. When a sighting target enters the field of view of the video camera, the color of the visible light emitted by it and the blinking frequency are determined.
Для обнаружения визирных целей используется векторная функция разности по двум последовательным кадрам видеоизображения:To detect sighting targets, the vector function of the difference over two consecutive video frames is used:
где k - пороговый коэффициент изменения яркости визирной цели на изображении;where k is the threshold coefficient for changing the brightness of the sighting target in the image;
с1, с2 - цвет визирной цели на двух последовательных кадрах видеоизображения.s 1 , s 2 - target color on two successive video frames.
При этом значения векторной функции ежесекундно обнуляются Δсi=0. В течении секунды функция Δсi накапливает происходящие изменения на видеоизображении. Перед обнулением функции фиксируются только те координаты пикселей на изображении, при которых накопленные значения функции совпали с частотами из заданного набора частот (ν1, ν2, ν3). После обнаружения визирной цели осуществляется наведение видеокамеры на визирную цель и определяется ее угловое положение, задаваемое зенитным (и азимутальным (углами.In this case, the values of the vector function are reset to zero every second Δс i =0. Within a second, the function Δс i accumulates the ongoing changes in the video image. Before resetting the function, only those pixel coordinates in the image are fixed at which the accumulated function values coincided with frequencies from a given set of frequencies (ν 1 , ν 2 , ν 3 ). After the sighting target is detected, the video camera is aimed at the sighting target and its angular position is determined, given by the zenith (and azimuth (angles.
Обнаружив все три визирные цели получают циклическую последовательность
Затем данная последовательность упорядочивается путем нахождения индекса первого элемента, имеющего наибольшее значение разности азимутальных углов:This sequence is then ordered by finding the index of the first element that has the largest difference in azimuth angles:
В результате получают упорядоченную последовательность
Таблица 1. Соответствие положения видеограмметрического устройства комбинации цифровых обозначений визирных целейTable 1. Correspondence of the position of the videogrammetric device with a combination of digital designations of target targets
Данные комбинации условно разделяются на две группы. Группа G1 содержит комбинации цифровых обозначений визирных целей: 123, 312, 231. Группа G2 содержит комбинации: 213, 132, 321.These combinations are conditionally divided into two groups. Group G1 contains combinations of numerical designations of target targets: 123, 312, 231. Group G2 contains combinations: 213, 132, 321.
Вычисляются углы (фиг.4, а), образованные проектирующим лучом, идущим от центральной визирной цели и проектирующими лучами, идущими от двух крайних визирных целей из выражений:The angles are calculated (figure 4, a) formed by the projecting beam coming from the central sighting target and the projecting beams coming from the two extreme sighting targets from the expressions:
где λ1, λ2, λ3 - азимутальные углы крайней левой, центральной и крайней правой визирных целей, соответственно.where λ 1 , λ 2 , λ 3 - azimuth angles of the extreme left, central and extreme right sighting targets, respectively.
По теоремам тригонометрии вычисляется угол, образованный прямой соединяющей крайнюю левую с центральной визирной целью и проектирующим лучом, идущим от центральной визирной цели. Для группы G1 комбинаций цифровых обозначений визирных целей, применяется выражение:According to the theorems of trigonometry, the angle formed by the straight line connecting the leftmost target with the central sighting target and the projecting beam coming from the central sighting target is calculated. For group G1 of combinations of numerical designations of target targets, the expression is applied:
Для группы G2 комбинаций, применяется выражение:For group G2 combinations, the expression is applied:
Затем вычисляется угол между прямой, соединяющей крайнюю левую визирную цель с геометрическим центром, образованным тремя визирными целями, и проектирующим лучом, идущим от крайней левой визирной цели. Для группы G1 комбинаций, применяется выражение:Then the angle between the straight line connecting the leftmost target with the geometric center formed by the three targets and the projecting beam from the leftmost target is calculated. For group G1 combinations, the expression is applied:
Для группы G2 комбинаций, применяется выражение:For group G2 combinations, the expression is applied:
Азимутальный угол геометрического центра, образованного тремя визирными целями для группы комбинаций G1, определяется из выражения:The azimuth angle of the geometric center formed by three sighting targets for the group of combinations G1 is determined from the expression:
Азимутальный угол геометрического центра, образованного тремя визирными целями для группы комбинаций G2, определяется из выражения:The azimuth angle of the geometric center formed by three sighting targets for the group of combinations G2 is determined from the expression:
Для определения азимутального угла видеограмметрического устройства в системе координат визирных целей применяется выражение:To determine the azimuth angle of the videogrammetric device in the coordinate system of sighting targets, the following expression is used:
Затем находят длины проекций на горизонтальную плоскость отрезков, соединяющих центр плоскости изображения видеокамеры с крайней левой и центральной визирными целями из выражений:Then, the lengths of projections onto the horizontal plane of the segments connecting the center of the video camera image plane with the leftmost and central sighting targets are found from the expressions:
Длина проекции на горизонтальную плоскость отрезка, соединяющего центр плоскости изображения видеокамеры с крайней правой визирной целью, для группы комбинаций G1 определяется из выражения:The length of the projection on the horizontal plane of the segment connecting the center of the image plane of the video camera with the rightmost sighting target for the group of combinations G1 is determined from the expression:
Длина проекции на горизонтальную плоскость этого отрезка для группы комбинаций G2 определяется из выражения:The length of the projection onto the horizontal plane of this segment for the group of combinations G2 is determined from the expression:
Длина проекции на горизонтальную плоскость отрезка, соединяющего центр плоскости изображения видеокамеры с геометрическим центром трех визирных целей, определяется из выражения:The length of the projection on the horizontal plane of the segment connecting the center of the image plane of the video camera with the geometric center of the three sighting targets is determined from the expression:
Чтобы определить зенитный угол видеограмметрического устройства в системе координат визирных целей используется выражение:To determine the zenith angle of the videogrammetric device in the coordinate system of sighting targets, the following expression is used:
где ω1, ω2, ω3 - зенитные углы крайней левой, центральной и крайней правой визирных целей, соответственно.where ω 1 , ω 2 , ω 3 - zenith angles of the extreme left, central and extreme right sighting targets, respectively.
Дальность до геометрического центра трех визирных целей определяется из выражения:The range to the geometric center of three sighting targets is determined from the expression:
В качестве примера, рассмотрим четырехугольник ABCD (фиг.4, a), образованный тремя визирными целями A, B, C и видеограмметрическим устройством в точке D. Применив теорему синусов для треугольников ABD и BCD, получают следующую систему уравнений:As an example, consider the quadrilateral ABCD (Fig.4, a), formed by three sighting targets A, B, C and a videogrammetric device at point D. Applying the sine theorem for triangles ABD and BCD, the following system of equations is obtained:
Решая систему уравнений, получают выражение:Solving the system of equations, we get the expression:
Из выражения (21) находят формулу для вычисления угла γ3:From expression (21) find a formula for calculating the angle γ 3 :
Затем вычисляется угол γ4:Then the angle γ4 is calculated:
Длину отрезка AD вычисляют из выражения:The length of segment AD is calculated from the expression:
Длину отрезка BD вычисляют из выражения:The length of the segment BD is calculated from the expression:
Длину отрезка CD вычисляют из выражения:The length of the segment CD is calculated from the expression:
Геометрический центр точек A, B, C расположен в точке О. Длина отрезка OD вычисляется из выражения:The geometric center of points A, B, C is located at point O. The length of the segment OD is calculated from the expression:
Длина отрезка AO вычисляется из выражения:The length of the segment AO is calculated from the expression:
Выражение (27) после подстановки выражений (24, 28) принимает следующий вид:Expression (27) after substitution of expressions (24, 28) takes the following form:
Угол ω0 (фиг.4, б), образованной прямой OD с вертикалью, определяется из выражения:Angle ω 0 (figure 4, b), formed by a straight line OD with a vertical, is determined from the expression:
Дальность до геометрического центра трех расположенных в горизонтальной плоскости и равноудаленных друг от друга визирных целей определяется из выражения:The range to the geometric center of three sighting targets located in a horizontal plane and equidistant from each other is determined from the expression:
Таким способом, собственные координаты видеограмметрического устройства определяются по трем, расположенным в горизонтальной плоскости и равноудаленным друг от друга, визирным целям, мигающим с заданными частотами.In this way, the own coordinates of the videogrammetric device are determined by three sighting targets located in a horizontal plane and equidistant from each other, blinking at specified frequencies.
Источники информацииInformation sources
1. Европейский патент EP № 0379425 A1, МПК G01S 5/16, на изобретение «System for determining the position of at least one target by means of triangulation».1. European patent EP No. 0379425 A1,
2. Справочник геодезиста. Книга 2 / под ред. В.Д. Большакова и Г.П. Левчука. - 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Недра, 1985. - 440 с.2. Reference book of the surveyor.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021106692A RU2769637C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2021106692A RU2769637C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2769637C1 true RU2769637C1 (en) | 2022-04-04 |
Family
ID=81076149
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2021106692A RU2769637C1 (en) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2769637C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2655467C1 (en) * | 2017-03-29 | 2018-05-28 | Дмитрий Александрович Рощин | Method of measuring distance on digital video camera with target |
RU2685761C1 (en) * | 2018-09-09 | 2019-04-23 | Дмитрий Александрович Рощин | Photogrammetric method of measuring distances by rotating digital camera |
EP3660451A1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-06-03 | Hexagon Technology Center GmbH | Intelligent stationing module |
-
2021
- 2021-03-15 RU RU2021106692A patent/RU2769637C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2655467C1 (en) * | 2017-03-29 | 2018-05-28 | Дмитрий Александрович Рощин | Method of measuring distance on digital video camera with target |
RU2685761C1 (en) * | 2018-09-09 | 2019-04-23 | Дмитрий Александрович Рощин | Photogrammetric method of measuring distances by rotating digital camera |
EP3660451A1 (en) * | 2018-11-28 | 2020-06-03 | Hexagon Technology Center GmbH | Intelligent stationing module |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
РОЩИН Д.А. СТАТЬЯ "ФОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СЛЕДЯЩЕЙ ОПТИЧЕСКОЙ КООРДИНАТНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ", СБОРНИК XIII МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ НИЦ "АПРОБАЦИЯ", стр. 21-26, МАХАЧКАЛА, 2016 г. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10580153B2 (en) | Optical navigation and positioning system | |
US10234278B2 (en) | Aerial device having a three-dimensional measurement device | |
US10760907B2 (en) | System and method for measuring a displacement of a mobile platform | |
WO2010054519A1 (en) | A device and method for measuring 6 dimension posture of moving object | |
US10508914B2 (en) | Device for automatically finding a mobile geodetic target object | |
CN110850429A (en) | Survey device for automatically training locked object or person to track target based on camera | |
EP3765820B1 (en) | Positioning method and positioning apparatus | |
JP2019060754A (en) | Cloud altitude and wind velocity measurement method using optical image | |
CA3112187C (en) | Optics based multi-dimensional target and multiple object detection and tracking method | |
CN113340272B (en) | Ground target real-time positioning method based on micro-group of unmanned aerial vehicle | |
US20210327083A1 (en) | Systems and methods of measuring an object in a scene of a captured image | |
RU2769637C1 (en) | Method for determining proper coordinates from three surveying targets and videogrammetric system for implementation thereof | |
KR101992417B1 (en) | Apparatus and method for measuring airburst height of weapon system | |
US9052159B2 (en) | System for determining the spatial orientation of a movable apparatus | |
RU2752687C1 (en) | Range determination method using digital video camera and three light sources | |
RU2779703C1 (en) | Videogrammetric system for determining one's own coordinates from three light sources | |
RU2685761C1 (en) | Photogrammetric method of measuring distances by rotating digital camera | |
JPH03134499A (en) | Sight position detection method | |
KR101672710B1 (en) | Indoor monitoring system using augmented reality | |
KR101999065B1 (en) | Method for measuring distance between the camera and the object using milliradian | |
RU2689848C1 (en) | Distance meter on digital video camera | |
JPH0524591A (en) | Measuring method for airframe position of vertical take-off and landing aircraft | |
KR101807371B1 (en) | Apparatus and method for photographic measuring | |
JP2023017199A (en) | Survey data processing device, survey data processing method and program for survey data processing | |
Sherman et al. | Stereo optical tracker for standoff monitoring of position and orientation |