ES2209655B1 - SYSTEM FOR MEASURING DISTANCES AND SPEEDS BY NON-RADIANT ELECTROOPTIC PROCEDURES. - Google Patents

SYSTEM FOR MEASURING DISTANCES AND SPEEDS BY NON-RADIANT ELECTROOPTIC PROCEDURES.

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ES2209655B1 ES200202855A ES200202855A ES2209655B1 ES 2209655 B1 ES2209655 B1 ES 2209655B1 ES 200202855 A ES200202855 A ES 200202855A ES 200202855 A ES200202855 A ES 200202855A ES 2209655 B1 ES2209655 B1 ES 2209655B1
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Abstract

Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes. El objeto de estos sistemas es medir distancias a objetos móviles y sus velocidades de desplazamiento. Están compuestos de dos cámaras montadas sobre una base rígida y subconjuntos electrónicos que analizan imágenes estéreo en tiempo real, aplicando técnicas multirresolución para acelerar las búsquedas de correspondencias estéreo. Pueden utilizar sensores de imagen de alta resolución para medir con elevada precisión. Sus principios funcionales son aplicables en amplias gamas de distancias y velocidades. Su estructura electrónica reconfigurable, implementada en FPGAs, proporciona sistemas de muy bajo consumo eléctrico y permite utilizar los datos resultantes en procesadores externos o integrarlos fácilmente en sistemas de bajo coste, en función de la precisión, uso y presentación que se requiere de los datos. Por ser sistemas pasivos no radiantes, son indetectables a niveles radioeléctricos y utilizables en entornos muy diversos.System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures. The purpose of these systems is to measure distances to moving objects and their travel speeds. They are composed of two cameras mounted on a rigid base and electronic subsets that analyze stereo images in real time, applying multiresolution techniques to accelerate the search for stereo correspondences. They can use high resolution image sensors to measure with high accuracy. Its functional principles are applicable in wide ranges of distances and speeds. Its reconfigurable electronic structure, implemented in FPGAs, provides very low power consumption systems and allows the resulting data to be used in external processors or easily integrated into low-cost systems, depending on the accuracy, use and presentation required of the data. Being non-radiant passive systems, they are undetectable at radio levels and usable in very diverse environments.

Description

Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes.System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures.

Sector de la técnicaTechnical sector

Sistemas de Visión Artificial. Sensores CCD y CMOS. Dispositivos programables tipo FPGA, CPLD y DSP. Automatización de procesos por tratamiento de imágenes estéreo con resolución múltiple. Medidores automáticos de distancias y velocidades.Artificial Vision Systems. CCD sensors and CMOS Programmable devices type FPGA, CPLD and DSP. Process automation by stereo image processing with multiple resolution Automatic distance meters and speeds.

Estado de la técnicaState of the art

La velocidad es un parámetro de interés en numerosas actividades y aplicaciones. Los distintos rangos de velocidades, la precisión con que se desea la medida, el tamaño de los móviles, la distancia a la que están del punto de observación y el entorno en que se desplazan, entre otras posibles consideraciones, pueden requerir características especiales del equipo capaz de determinar o medir la velocidad de los móviles en observación. Por ello existen numerosos sistemas y soluciones, en muchos casos específicas, para determinar la velocidad a la que se desplazan los objetos en movimiento o móviles.Speed is a parameter of interest in Numerous activities and applications. The different ranges of speeds, the precision with which the measurement is desired, the size of mobiles, the distance they are from the observation point and the environment in which they move, among other possible considerations, may require special features of the equipment capable of determining or measuring the speed of mobile phones in observation. That is why there are numerous systems and solutions, in many specific cases, to determine the speed at which move moving or moving objects.

La definición de la velocidad como la relación entre el espacio recorrido y el intervalo de tiempo empleado para hacerlo implica que la medida de la velocidad se haga de forma indirecta, fijando un tiempo y midiendo el espacio que se recorre en él o fijando un espacio y cronometrando el tiempo en que se recorre. Los sistemas electrónicos generalmente suelen adoptar la primera alternativa, por ser más fácil establecer la referencia del tiempo que la del espacio. La medida del espacio recorrido se hace midiendo distancias al principio de un intervalo de tiempo y al final del mismo, por procedimientos diversos entre los que se cuentan la emisión de una señal radioeléctrica y la recepción de la misma, evaluando el retardo de la señal reflejada. La relación del retardo con la velocidad de propagación y la longitud de onda de la señal, proporcionan información de la diferencia de distancias medidas, es decir, del espacio recorrido.The definition of speed as the ratio between the space traveled and the time interval used to doing so implies that the speed measurement is done in a way indirect, setting a time and measuring the space traveled in him or setting a space and timing the time in which travel. Electronic systems usually adopt the first alternative, because it is easier to establish the reference of time than that of space. The measure of the space traveled is does measuring distances at the beginning of a time interval and at the end of it, by various procedures among which they count the emission of a radio signal and the reception of the same, evaluating the delay of the reflected signal. The relationship of delay with propagation speed and wavelength of the signal, provide information on the difference of measured distances, that is, of the space traveled.

Algunos sistemas de medida de velocidad, por ejemplo, los radares Doppler utilizados por la policía de tráfico en muchos países, se basan en procedimientos que hacen uso de determinadas bandas del espacio radioeléctrico, para determinar las distancias desde los móviles al sistema de medida en dos instantes de tiempo muy próximos que fijan el intervalo de tiempo de referencia, obteniendo así lo que se puede considerar una velocidad instantánea. Aunque el procedimiento puede dar medidas precisas, la radiación emitida de modo que se puede considerar permanente es detectable por ciertos sistemas receptores y la recepción de la onda reflejada puede ser interferida, por lo que dichos sistemas pueden ser causa y objeto de interferencias radioeléctricas, a veces causadas desde el mismo vehículo cuya velocidad se pretende medir y ocasionalmente por otros sistemas radiantes.Some speed measurement systems, for example, the Doppler radars used by traffic police in many countries, they are based on procedures that make use of certain bands of the radioelectric space, to determine the distances from mobile phones to the measuring system in two instants of time very close that set the time interval of reference, thus obtaining what can be considered a speed snapshot. Although the procedure can give precise measures, the emitted radiation so that it can be considered permanent is detectable by certain receiving systems and receiving the reflected wave can be interfered, so that such systems they can be cause and object of radio interference, sometimes  caused from the same vehicle whose speed is intended to be measured and occasionally by other radiant systems.

Otros sistemas con propósito similar usan frecuencias próximas al espectro visible, como el láser de infrarrojos, menos susceptibles a interferencias, pero a cambio de exigir una mayor directividad de la señal por su propagación óptica. La directividad requiere que dichos sistemas apunten al objeto móvil, por lo que no disponen por sí mismos de capacidad de detección automática de móvil con exceso de velocidad, es decir, deben ser activados por un agente que apunta la radiación hacia el supuesto móvil infractor, lo que es causa de rechazo por colectivos que aducen riesgos potenciales para los seres vivos, por los efectos térmicos de los infrarrojos y el láser.Other systems with similar purpose use frequencies close to the visible spectrum, such as the laser of infrared, less susceptible to interference, but in exchange for demand greater directivity of the signal by its propagation optics. Directivity requires that these systems point to mobile object, so they do not have the capacity to automatic mobile detection with speeding, that is, they must be activated by an agent that points the radiation towards the alleged mobile offender, which is cause for rejection by groups that claim potential risks to living beings, by the thermal effects of infrared and laser.

Cualquiera de esos sistemas requiere una señal reflejada, que empeora si el móvil no es de carácter metálico o si absorbe parcialmente la señal emitida, y además, requieren un tamaño mínimo en el móvil. Tales condicionantes pueden limitar el uso y aplicaciones de dichos sistemas. Son, de hecho, sistemas específicos para medir la velocidad de vehículos y sus principios no son aplicables en otros entornos de medida.Any of those systems requires a signal reflected, which worsens if the mobile is not metallic or if partially absorbs the emitted signal, and also requires a minimum size on mobile. Such conditions may limit the use and applications of such systems. They are, in fact, systems specific to measure the speed of vehicles and their principles They are not applicable in other measurement environments.

Dichos inconvenientes y efectos potenciales se pueden evitar utilizando sistemas basados en el análisis de imágenes estéreo captadas por sensores CCD -Charge Coupled Devices- o CMOS -Complementary Metal Oxide Semi-conductors- que, por procedimientos electroópticos, permiten procesar digitalmente las imágenes captadas y obtener información presente en escenas dinámicas.Such inconveniences and potential effects can be avoided by using systems based on the analysis of stereo images captured by CCD sensors - Charge Coupled Devices - or CMOS - Complementary Metal Oxide Semi-conductors - which, by electro-optical procedures, allow digitally captured images to be processed and obtained information present in dynamic scenes.

Los sistemas electroópticos utilizan el espectro visible, aprovechando la luz reflejada por objetos móviles o en reposo y, en consecuencia, son sistemas pasivos, o no radiantes, que ni provocan interferencias radioeléctricas ni emiten señales que puedan estimarse potencialmente nocivas. Al ser sistemas pasivos no son detectables a nivel radioeléctrico ni susceptibles de ser neutralizados o desactivados por radiofrecuencias, salvo diseño con ese propósito específico. Actualmente se comercializan sensores CMOS cuya resolución o paso entre píxeles es de 4,5x4,5 micras, estando previsto que estas resoluciones lleguen a ser menores de 3x3 micras en el año 2004. Sus características funcionales son similares a aquellas de las cámaras digitales empleadas a nivel doméstico, por lo que detectan el movimiento o presencia de cualquier objeto visible, sea metálico o no. Su reducido consumo eléctrico y pequeño tamaño les permite operar de modo continuo y en entornos muy variables.Electro-optical systems use the spectrum visible, taking advantage of the light reflected by moving objects or in rest and, consequently, are passive, or non-radiant, systems that neither cause radio interference nor emit signals that can be considered potentially harmful. Being systems liabilities are not detectable at radio level or susceptible if neutralized or deactivated by radio frequencies, except Design with that specific purpose. They are currently marketed CMOS sensors whose resolution or pitch between pixels is 4.5x4.5 microns, provided that these resolutions become less than 3x3 microns in 2004. Its characteristics Functional are similar to those of digital cameras used domestically, so they detect movement or presence of any visible object, whether metallic or not. its reduced power consumption and small size allows them to operate from continuous mode and in very variable environments.

Los sistemas electroópticos requieren que sus elementos tengan la sensibilidad suficiente para detectar la luz reflejada en el entorno y una resolución óptica relacionada al tamaño de los objetos, condiciones que los sensores de imagen de tipo CMOS o CCD disponibles en el mercado cumplen suficientemente, por lo que pueden utilizarse como elementos detectores en sistemas cuya estructura y operación permita la medición de distancias en secuencias de imágenes. Al poder ajustar con precisión el intervalo entre ellas, es decir, fijar la tasa de imágenes por segundo, se determina el intervalo de tiempo que se aplica al calcular la relación espacio/tiempo que da la medida de la velocidad.Electro-optical systems require that their elements are sensitive enough to detect light reflected in the environment and an optical resolution related to object size, conditions that image sensors type CMOS or CCD available in the market comply sufficiently, so they can be used as detection elements in systems whose structure and operation allows the measurement of distances in Image sequences Being able to fine tune the interval between them, that is, set the rate of images per second, is determines the time interval that is applied when calculating the space / time ratio that gives the speed measurement.

El problema en estos sistemas radica en la complejidad computacional de los algoritmos de visión artificial que, en secuencias rápidas, pueden limitar la capacidad de llevar a término las operaciones necesarias para el cálculo de distancias en lo que se denomina tiempo real. Por otra parte, la precisión de estos sistemas depende de varios parámetros, como se justifica más adelante en esta memoria, siendo uno de ellos la resolución de los sensores de imagen empleados.The problem in these systems lies in the computational complexity of artificial vision algorithms that, in rapid sequences, can limit the ability to complete the operations necessary for calculating distances in what is called real time . On the other hand, the accuracy of these systems depends on several parameters, as justified later in this report, one of them being the resolution of the image sensors used.

Explicación de la invenciónExplanation of the invention.

El objeto primero de esta invención es medir distancias a puntos específicos de un móvil en intervalos de tiempo seleccionables, determinados por la tasa de imágenes en una secuencia estéreo y, en segundo lugar, analizando los valores de distancias medidas en dichos intervalos, derivar espacios recorridos y calcular velocidades.The first object of this invention is to measure distances to specific points of a mobile in intervals of selectable time, determined by the rate of images in a stereo sequence and, secondly, analyzing the values of distances measured at these intervals, derive spaces routes and calculate speeds.

Los sensores CMOS y CCD actuales de alta resolución permiten resolver en distancia con errores inferiores al

\hbox{2\textperthousand}
en aplicaciones de metrología óptica basada en visión artificial. Sin embargo, el aumento de resolución conlleva un aumento en el número de datos a procesar electrónicamente y un mayor tiempo en la respuesta de los algoritmos. Por ello, para poder obtener datos de forma automática y en tiempo real es necesario aplicar algoritmos a nivel de circuitería o hardware, con velocidades de procesamiento mucho mayores que la de aquellos basados en software, cuya respuesta es lenta frente a la tasa de la secuencia de imágenes estéreo, que debe ser relativamente alta para poder medir una amplia gama de velocidades y poder hacerlo con mayor precisión.The current high resolution CMOS and CCD sensors allow remote resolution with errors below
 \ hbox {2 \ textperthousand} 
in applications of optical metrology based on artificial vision. However, the increase in resolution entails an increase in the number of data to be processed electronically and more time in the response of the algorithms. Therefore, to obtain data automatically and in real time it is necessary to apply algorithms at the circuitry or hardware level , with processing speeds much higher than those based on software , whose response is slow compared to the sequence rate of stereo images, which must be relatively high to be able to measure a wide range of speeds and be able to do it with greater precision.

La solución que ofrece esta invención consiste en fraccionar la operación de búsqueda automática de correspondencias estéreo de aquellos puntos específicos que se consideran de interés, para obtener las denominadas disparidades estéreo de las que se derivan los datos de distancia, aplicando para ello técnicas de visión artificial con resoluciones múltiples del tipo descrito en la patente española con número de publicación 2 152 176. Los procesos de baja resolución acortan el tiempo de búsqueda detectando regiones y puntos específicos de los contornos de los objetos al mismo tiempo que se recibe la imagen que los contiene, mientras que los procesos de búsqueda en alta resolución se localizan en pequeñas regiones alrededor de los puntos preseleccionados por los procesos anteriores, donde suele haber un elevado contraste entre el objeto y el fondo de la escena. Así, el procesamiento paralelo en baja y alta resolución permite obtener resultados en tiempo corto y con precisión alta.The solution offered by this invention is to divide the operation of automatic search of stereo correspondences of those specific points that are considered of interest, to obtain the so-called stereo disparities from which the distance data are derived, applying for this purpose artificial vision techniques with multiple resolutions of the type described in the Spanish patent with publication number 2 152 176. The low resolution processes shorten the search time by detecting specific regions and points of the contours of the objects at the same time that the image containing them is received. , while high resolution search processes are located in small regions around the points preselected by the previous processes, where there is usually a high contrast between the object and the background of the scene. Thus, parallel processing in low and high resolution allows to obtain results in a short time and with high precision.

El procesamiento previo de las imágenes estéreo en baja resolución se puede realizar en sistemas electrónicos reconfigurables que, después de extraer rápidamente información específica de los móviles, la envían a un procesador que realiza los cálculos precisos y rápidos de la correspondencia estéreo de dos puntos específicos P_{d} y P_{i} en las imágenes de alta resolución y, en base a ellos, obtiene las distancias y velocidades con cuyos valores puede controlar a otros elementos conectables al sistema, ya sea para registrar o almacenar datos de las medidas e imágenes captadas, controlar cámaras auxiliares y para configurar el sistema de medida adaptándolo al entorno de medidas y
móviles.
Pre-processing of stereo images in low resolution can be done in reconfigurable electronic systems that, after quickly extracting specific information from mobile phones, send it to a processor that performs accurate and fast calculations of the stereo correspondence of two specific points P_ {d} and P_ {i} in high resolution images and, based on them, obtains the distances and speeds with whose values you can control other elements that can be connected to the system, either to record or store measurement data and images captured, control auxiliary cameras and to configure the measurement system adapting it to the measurement environment and
mobile phones

La disponibilidad de procesadores portátiles con capacidad de cálculo suficiente para los procesos requeridos en este tipo de sistemas permite, por otra parte, que cualquiera de estos sistemas pueda instalarse y utilizarse en entornos diversos.The availability of portable processors with sufficient calculation capacity for the processes required in this type of systems allows, on the other hand, that any of These systems can be installed and used in environments diverse.

Descripción de los dibujosDescription of the drawings

Para complementar la descripción, con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento y como parte integrante de esta memoria, se incluye un conjunto de dibujos o figuras donde, con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:To complement the description, in order to help a better understanding of the features of the invention and as an integral part of this report, a set of drawings or figures where, with an illustrative and non-limiting nature, The following has been represented:

Figura 1: Esquema de principio para la medida de distancias por procedimientos estéreo, utilizando dos cámaras con ejes ópticos paralelos y planos focales coplanares.Figure 1: Scheme of principle for measuring distances by stereo procedures, using two cameras with parallel optical axes and coplanar focal planes.

Figura 2: Relacionada a la Figura 1 para mostrar en un espacio tridimensional la situación relativa de los planos focales de las dos cámaras, paralelos al plano Z=0 a distancia -f, siendo f la distancia focal de las lentes. Muestra también el paralelismo de los ejes ópticos, en el mismo plano que el eje Z utilizado para medir distancia a objetos representados en la figura por un punto P(x,y,z) en el espacio que, simultáneamente, se proyecta en los puntos

\hbox{P _{d} (x _{d} ,
y _{d} )}
y P_{i}(x_{i},y_{i}) de los planos focales.Figure 2: Related to Figure 1 to show in a three-dimensional space the relative situation of the focal planes of the two cameras, parallel to the plane Z = 0 at distance -f, where f is the focal length of the lenses. It also shows the parallelism of the optical axes, in the same plane as the Z axis used to measure distance to objects represented in the figure by a point P (x, y, z) in the space that, simultaneously, is projected at the points
 \ hbox {P d (x d,
and d) 
and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}) of the focal planes.

Figuras 3a, 3b y 3c: Están relacionadas a la Figura 2 y muestran las proyecciones de un punto P(x,y,z) del espacio tridimensional en los planos X=0, Y=0 y Z= -f, relacionando las proyecciones con la distancia focal de las lentes y las imágenes del punto P(x,y,z) en los planos focales de las dos lentes, identificadas en los puntos P_{d}(x_{d}, y_{d}) y P_{i}(x_{i},y_{i}), cuyas coordenadas en los respectivos planos focales se utilizan para medir las coordenadas y la distancia del punto

\hbox{P(x,y,z)}
al origen de coordenadas.Figures 3a, 3b and 3c: They are related to Figure 2 and show the projections of a point P (x, y, z) of the three-dimensional space in the planes X = 0, Y = 0 and Z = -f, relating the projections with the focal length of the lenses and the images of the point P (x, y, z) in the focal planes of the two lenses, identified at the points P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}), whose coordinates in the respective focal planes are used to measure the coordinates and distance of the point
 \ hbox {P (x, y, z)} 
to the origin of coordinates.

Figuras 4a, 4b y 4c: Presentan posibles disposiciones preferentes de los elementos que componen el sistema de medida, que pueden posicionarse o deslizarse a lo largo del soporte común para conseguir que la longitud de la línea base sea la necesaria para medir la gama deseada de distancias y velocidades.Figures 4a, 4b and 4c: Present possible preferential provisions of the elements that make up the system measurement, which can be positioned or slid along the common support to get the baseline length to be the necessary to measure the desired range of distances and speeds.

Figura 5: Presenta el diagrama de bloques de una arquitectura preferente implementada en FPGAs o CPLDs para el procesamiento electrónico de las imágenes de un canal, así como los elementos comunes a ambos canales, utilizando un procesador externo para el cálculo, registro y presentación de las medidas de distancias y velocidades.Figure 5: Present the block diagram of a preferred architecture implemented in FPGAs or CPLDs for the electronic processing of the images of a channel, as well as the elements common to both channels, using a processor external for the calculation, registration and presentation of the measures of distances and speeds.

Descripción de la invenciónDescription of the invention

El uso de imágenes estéreo para determinar distancias a objetos hace uso de la disparidad que se observa en la posición de los objetos en el par de imágenes estéreo. Para una mejor comprensión de lo que sigue, se adjunta el dibujo de la Figura 1, donde se muestra la geometría simplificada de un sistema estéreo que utiliza dos lentes idénticas dispuestas de forma que sus ejes ópticos sean paralelos y sus correspondientes planos focales sean coplanares. La separación entre los ejes ópticos está determinada por la posición de las lentes, cuyos centros están situados en los extremos izquierdo y derecho, I y D, de una línea de longitud b, la base de un triángulo que tiene como vértice opuesto el punto P, dentro del campo óptico de ambas lentes. La altura del punto P sobre la línea base, se considera como distancia L a la línea base b. En la Figura 1 se muestran otros dos triángulos semejantes a los que forma la línea L con los puntos I y D. Estos triángulos son los que forman las líneas f, que representan las distancias focales de las lentes situadas en I y D, con los puntos P_{i} y P_{d} que corresponden a las proyecciones del punto P sobre los planos focales de las lentes, donde se captan las imágenes. La disparidad estéreo es la diferencia entre las longitudes d_{i} y d_{d}, medidas con respecto a sus respectivos orígenes en cada plano focal. La disparidad es un dato que se puede deducir midiendo la posición de P_{i} y P_{d} en las imágenes de los planos focales y la distancia L se puede expresar como L=\frac{bf}{d_{i}-d_{d}}\eqnum{(1)} The use of stereo images to determine distances to objects makes use of the disparity observed in the position of the objects in the pair of stereo images. For a better understanding of the following, the drawing in Figure 1 is attached, which shows the simplified geometry of a stereo system that uses two identical lenses arranged so that their optical axes are parallel and their corresponding focal planes are coplanar. The separation between the optical axes is determined by the position of the lenses, whose centers are located at the left and right ends, I and D, of a line of length b, the base of a triangle whose point P is opposite vertex , within the optical field of both lenses. The height of the point P on the baseline is considered as distance L to the baseline b. Figure 1 shows two other triangles similar to those formed by the line L with points I and D. These triangles are those that form lines f, which represent the focal distances of the lenses located in I and D, with the points P_ {i} and P_ {d} that correspond to the projections of point P on the focal planes of the lenses, where the images are captured. Stereo disparity is the difference between the lengths d_ {i} and d_ {d}, measured with respect to their respective origins in each focal plane. The disparity is a data that can be deduced by measuring the position of P_ {i} and P_ {d} in the images of the focal planes and the distance L can be expressed as L = \ frac {bf} {d_ {i} -d_ {d}} \ eqnum {(1)}

Las distancias d_{i} y d_{d} se miden en píxeles, elementos discretos de tamaño fijo y situados a intervalos regulares y constantes denominados paso o salto entre píxeles. Los píxeles constituyen el plano focal donde se forma la imagen que las lentes proyectan en los sensores CMOS o CCD, transformando los fotones en señales eléctricas que, a su vez, se traducen en imágenes. Conocido el número de píxeles y el salto entre ellos, es decir, la resolución normalmente expresada en micras, la conversión a las unidades métricas utilizadas para L, b y f es inmediata.The distances d_ {i} and d_ {d} are measured in pixels , discrete elements of fixed size and located at regular and constant intervals called step or jump between pixels . The pixels constitute the focal plane where the image that the lenses project on the CMOS or CCD sensors is formed, transforming the photons into electrical signals that, in turn, translate into images. Known the number of pixels and the jump between them, that is, the resolution normally expressed in microns, the conversion to the metric units used for L, b and f is immediate.

En el supuesto de que tanto las distancias L como la posición del punto P se pueden determinar con la precisión que se describe más adelante, la velocidad se podrá determinar midiendo la variación de la posición del punto P respecto al sistema estéreo entre imágenes sucesivas de una secuencia, es decir, la distancia recorrida por el punto P. Si los intervalos de tiempos entre estas imágenes son conocidos y estables, la determinación de la velocidad es un proceso simple que realizará el procesador externo al que se envían los datos preprocesados.Assuming that both the L and the distances the position of point P can be determined with the precision that described below, the speed can be determined by measuring the variation of the position of the point P with respect to the stereo system between successive images of a sequence, that is, the distance traveled by point P. If the time intervals between these images are known and stable, speed determination It is a simple process that will be performed by the external processor to which send the preprocessed data.

La operación del sistema consiste en segmentar, discriminar o aislar el objeto de interés, o partes de él, dentro de la escena captada y aplicar una serie de algoritmos para calcular las sucesivas posiciones del punto P del móvil. De esta forma se pueden calcular las distancias |P_{t}-P_{t+1}| recorridas en intervalos de tiempo |t-t+1| conocidos, como paso previo al cálculo de la velocidad, expresada como V_{i} = \frac{|P_{t}-P_{t+1}|}{|t-t+1|} = \frac{|P_{t}-P_{t+1}|}{I} = T|P_{t}-P_{t-1}|\eqnum{(2)} donde I representa el intervalo de tiempo entre las imágenes captadas en los instantes t e t+1, y T representa la tasa de imágenes, en imágenes/segundo, o abreviadamente ips, que puede graduarse en los sensores actuales para obtener tasas superiores a 70 ips.The operation of the system consists of segmenting, discriminating or isolating the object of interest, or parts of it, within the captured scene and applying a series of algorithms to calculate the successive positions of the P point of the mobile. This way you can calculate the distances | P_ {t} -P_ {t + 1} | traveled in time intervals | t-t + 1 | known, as a previous step to speed calculation, expressed as V_ {i} = \ frac {| P_ {t} -P_ {t + 1} |} {| t-t + 1 |} = \ frac {| P_ {t} -P_ {t + 1} |} { I} = T | P_ {t} -P_ {t-1} | \ eqnum {(2)} where I represents the time interval between the images captured in the moments te t + 1, and T represents the image rate, in images / second, or abbreviated ips, which can be graduated in the current sensors to obtain rates higher than 70 ips .

Dada la naturaleza vectorial de la velocidad, la expresión (2) es el resultado de considerar apropiadamente las tres componentes o coordenadas P_{ix}, P_{iy}, P_{iz} que tendrán los puntos P en un espacio tridimensional. Para una mejor comprensión de lo anterior, se adjunta el dibujo de la Figura 2, donde se representa el punto P(x,y,z), los planos focales donde se proyectan los puntos P_{d}(x_{d},y_{d}) y P_{i}(x_{i},y_{i}) y los ejes X,Y,Z. En esta Figura 2 se puede apreciar que los ejes ópticos EO_{d} y EO_{i} de las lentes de distancia focal f, son paralelos entre sí, determinando un plano en el espacio que contiene al eje Z, paralelo a los ejes ópticos. Tanto el eje Z como los dos ejes ópticos están contenidos en el plano Y=0. Los planos focales están contenidos en el plano Z = -f y, los puntos donde se proyectan los ejes ópticos normales a ellos, se consideran sus respectivos centros de coordenadas.Given the vector nature of speed, the expression (2) is the result of properly considering the three components or coordinates P_ {ix}, P_ {iy}, P_ {iz} that they will have the points P in a three-dimensional space. For a better understanding of the above, the drawing in Figure 2 is attached, where point P (x, y, z) is represented, the focal planes where points P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) are projected and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}) and the X, Y, Z axes. In this Figure 2 it can be seen that the optical axes EO_ {d} and EO_ {i} of the focal length lenses f, are parallel to each other, determining a plane in the space that contains the Z axis, parallel to the axes Optical Both the Z axis and the two optical axes are contained in the plane Y = 0. The focal planes are contained in the Z plane = -f and, the points where normal optical axes are projected to they are considered their respective coordinate centers.

De la Figura 2 se obtienen las Figuras 3a, 3b y 3c, que representan respectivamente las proyecciones del punto

\hbox{P(x,y,z)}
en los planos Z = - f, X=0 e Y=0, y permiten deducir las expresiones que, a partir de las coordenadas (x_{d},y_{d}) y (x_{i},y_{i}) en los planos focales, obtienen las coordenadas (x,y,z) que determinan la posición espacial del punto P(x,y,z).From Figure 2, Figures 3a, 3b and 3c are obtained, which respectively represent the projections of the point
 \ hbox {P (x, y, z)} 
in the planes Z = - f, X = 0 and Y = 0, and allow to deduce the expressions that, from the coordinates (x_ {d}, y_ {d}) and (x_ {i}, y_ {i} ) in the focal planes, obtain the coordinates (x, y, z) that determine the spatial position of the point P (x, y, z).

La Figura 3a muestra el plano Z = - f, que contiene los dos planos focales y los puntos P_{d}(x_{d},y_{d}) y P_{i}(x_{i},y_{i}) proyectados en ellos, donde se observa que y_{d} = y_{i}.Figure 3a shows the plane Z = - f, which it contains the two focal planes and the points P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}) projected on them, where it is observed that y_ {d} = y_ {i}.

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La Figura 3b muestra la proyección en el plano X=0 y de ella se puede deducir que \frac{y_{d}}{f} = \frac{y}{z} \qquad \text{o bien} \qquad \frac{y_{i}}{f} = \frac{y}{z}, \qquad \text{ya que} \qquad y_{i} = y_{d}\eqnum{(3)} Figure 3b shows the projection in the plane X = 0 and from it it can be deduced that \ frac {y_ {d}} {f} = \ frac {y} {z} \ qquad \ text {or} \ qquad \ frac {y_ {i}} {f} = \ frac {y} {z} , \ qquad \ text {since} \ qquad y_ {i} = y_ {d} \ eqnum {(3)}

La Figura 3c muestra la proyección en el plano Y=0 y de ella se puede deducir que \frac{\frac{b}{2}-x}{z} = \frac{x_{d}}{f} \qquad \text{y, de igual forma} \qquad \frac{\frac{b}{2}+x}{z} = \frac{x_{i}}{f}\eqnum{(4)} y al sumar las dos expresiones en (4) se obtiene \frac{b}{z} = \frac{x_{d}+x_{i}}{f} \qquad \text{o su equivalente} \qquad z = \frac{bf}{x_{d}+x_{i}}\eqnum{(5)} que coincide con la expresión (1), donde se ha considerado el signo de las respectivas d_{x}.Figure 3c shows the projection in the plane Y = 0 and from it it can be deduced that \ frac {\ frac {b} {2} -x} {z} = \ frac {x_ {d}} {f} \ qquad \ text {and, likewise} \ qquad \ frac {\ frac {b} {2} + x} {z} = \ frac {x_ {i}} {f} \ eqnum {(4)} and by adding the two expressions in (4) you get \ frac {b} {z} = \ frac {x_ {d} + x_ {i}} {f} \ qquad \ text {or its equivalent} \ qquad z = \ frac {bf} {x_ {d} + x_ {i}} \ eqnum {(5)} which coincides with the expression (1), where the sign of the respective d_ {x} has been considered.

Deducida la coordenada z, se puede obtener la y de las expresiones en (3), resultando y = \frac{zy_{i}}{f} = \frac{zy_{d}}{f} = \frac{by_{i}}{x_{d}+x_{i}} = \frac{by_{d}}{x_{d}+x_{i}}\eqnum{(6)} y finalmente, restando la primera expresión en (4) de la segunda, se obtiene x \frac{2x}{z} = \frac{x_{i}-x_{d}}{f} \qquad \text{de la que se extrae} \qquad x = \frac{b(x_{i}-x_{d})}{2(x_{i}+x_{d})}\eqnum{(7)} Deduced the z coordinate, you can get the y of the expressions in (3), resulting y = \ frac {zy_ {i}} {f} = \ frac {zy_ {d}} {f} = \ frac {by_ {i}} {x_ {d} + x_ {i}} = \ frac {by_ {d}} {x_ {d} + x_ {i}} \ eqnum {(6)} and finally, subtracting the first expression in (4) from the second, you get x \ frac {2x} {z} = \ frac {x_ {i} -x_ {d}} {f} \ qquad \ text {from which it is extracted} \ qquad x = \ frac {b (x_ {i} - x_ {d})} {2 (x_ {i} + x_ {d})} \ eqnum {(7)}

Si en las expresiones (5), (6) y (7) se considera el sentido negativo de X_{d}, se obtienen las expresiones para las tres coordenadas en el espacio del punto P(x,y,z) x = \frac{b(x_{i}-x_{d})}{2(x_{i}+x_{d})} \qquad \qquad y = \frac{by_{i}}{x_{i}-x_{d}} \qquad \qquad z = \frac{bf}{x_{i}-x_{d}}\eqnum{(8)} siendo x_{i}-x_{d} equivalente a la disparidad d_{i}-d_{d} que figura en (1) y z equivalente a L.If in the expressions (5), (6) and (7) the negative sense of X_ {d} is considered, the expressions for the three coordinates in the space of the point P (x, y, z) are obtained x = \ frac {b (x_ {i} -x_ {d})} {2 (x_ {i} + x_ {d})} \ qquad \ qquad y = \ frac {by_ {i}} {x_ {i } -x_ {d}} \ qquad \ qquad z = \ frac {bf} {x_ {i} -x_ {d}} \ eqnum {(8)} where x_ {i} -x_ {d} is equivalent to the disparity d_ {i} -d_ {d} contained in (1) and z equivalent to L.

A partir de las expresiones en (8) se puede deducir la expresión de la distancia D_{P} del punto P(x,y,z) al origen de coordenadas como D_{P} = \sqrt{x^{2}+y^{2}+z^{2}} = \frac{b}{2(x_{i}-x_{d})} \sqrt{(x_{i}+x_{d})^{2}+4y_{i}{}^{2}+4f^{2}}\eqnum{(9)} y el espacio recorrido por el móvil o distancia D_{\Delta t} = |P_{t}-P_{t+1}|, determinada por D_{\Delta t} = \sqrt{(x_{t+1}-x_{t})^{2}+(y_{t+1}-y_{t})^{2}+(z_{t+1}- z_{t})^{2}}\eqnum{(10)} From the expressions in (8) the expression of the distance D_ {P} from the point P (x, y, z) can be deduced to the origin of coordinates such as D_ {P} = \ sqrt {x ^ {2} + y ^ {2} + z2}} = \ frac {b} {2 (x_ {i} -x_ {d})} \ sqrt {( x_ {i} + x_ {d}) 2 + 4y_ {i} {} 2} + 4f 2} \ eqnum {(9)} and the space traveled by the mobile or distance D {\ Delta t} = | P_ {t} -P_ {t + 1} |, determined by D _ {\ Delta t} = \ sqrt {(x_ {t + 1} -x_ {t}) 2 + (y_ {t + 1} -y_ {t}) ^ 2 + (z_ {t +1} - z_ {t}) 2} \ eqnum {(10)}

El cálculo de las expresiones (9) o (10) no supone una carga computacional importante, como tampoco lo es el cálculo de la velocidad en (2), una vez conocido D_{\Delta t} = |P_{t}-P_{t+1}|, por lo que el problema se reduce fundamentalmente a la búsqueda automática de la correspondencia de los puntos P_{d}(x_{d},y_{d}) y P_{i}(x_{i},y_{i}), que debe realizarse en cada par de imágenes estéreo y en los mismos puntos del contorno del móvil, para medir así el desplazamiento o espacio recorrido por dicho punto que, a efectos de cálculo, equivale al móvil. Por ello conviene elegirlo en una región de alto contraste, lo que siempre ocurre en el contorno y, preferiblemente, en los dos extremos donde existan menos sombras. Sin embargo, la búsqueda automática de correspondencia de un punto P_{d} en el plano focal derecho con otro P_{i} en el plano focal izquierdo, supone un proceso que puede ser largo y que conviene optimizar de forma racional en tiempo y coste.The calculation of expressions (9) or (10) does not supposes an important computational load, neither is the speed calculation in (2), once known D Δt = | P_ {t} -P_ {t + 1} |, so the problem is fundamentally reduced to automatic search for correspondence of points P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}), to be performed on each pair of stereo images and on the same points of the contour of the mobile, to measure the displacement or space traveled by said point that, for the purpose of calculation, equivalent to mobile. Therefore, it should be chosen in a high contrast region, which always occurs in the contour and, preferably, at both ends where there are less shadows. However, automatic search for correspondence of a point P_ {d} in the right focal plane with another P_ {i} in the plane focal left, is a process that can be long and that It is wise to optimize in a rational way in time and cost.

Por la gran resolución de los sensores disponibles, las imágenes de cualquier escena suelen contener información excesiva, un elevado número de píxeles cuya exploración para realizar la búsqueda de correspondencia puede requerir un tiempo proporcionalmente excesivo. Aprovechando la redundancia de datos y la semejanza de los brillos de píxeles contiguos en una imagen, el proceso de búsqueda se puede acelerar reduciendo el número de píxeles a examinar, bien aplicando muestreo o bajando la resolución de las imágenes por fusión de grupos de píxeles contiguos que se promedian en uno, con lo que se puede reducir exponencialmente la resolución y el número de datos a procesar. La técnica, descrita en la patente española con número de publicación 2 152 176, consiste en hacer agrupamientos de 2x2 píxeles, que pueden imaginarse situados en los vértices de un cuadrado, promediando su valor de gris o brillo en un solo elemento al que denominamos máxel. Si se realizan nuevos promedios con grupos de 2x2 máxeles, los brillos o niveles de gris de los máxeles de orden superior que así se generan equivalen a promedios de grupos de 4x4 píxeles de la imagen original, con lo que se obtiene una reducción espacial de datos de factor 2^{2N}, siendo N el número de promedios realizado. El valor de N es contextual y está relacionado al tamaño del objeto en la imagen, su textura y características diferenciales que permitan segmentarlo o aislarlo del resto de la imagen. Una característica diferencial es el movimiento. Al comparar dos imágenes sucesivas en intervalos de tiempo suficientemente cortos, el fondo de la imagen permanece fijo por ser normalmente despreciables los cambios de iluminación. Por ello se pueden distinguir fácilmente qué regiones de las imágenes han cambiado y asociar el cambio a las distintas posiciones de un móvil en las imágenes. Para que el proceso total sea eficiente, se precisa que la generación de las imágenes de resolución reducida sea simultánea o con retardo despreciable en relación a las imágenes que entregan los sensores y que, de forma similar, cuando se trabaje en una región de una imagen de resolución reducida, se deduzcan fácilmente las coordenadas correspondientes de esa región en la imagen de máxima resolución. Este tipo de paralelismo es perfectamente realizable con dispositivos FPGA o CPLD, ya que sus recursos permiten configurarlos para operar de ese modo.Due to the high resolution of the available sensors, the images of any scene usually contain excessive information, a high number of pixels whose exploration to perform the search for correspondence may require a proportionately excessive time. Taking advantage of the redundancy of data and the similarity of the brightness of contiguous pixels in an image, the search process can be accelerated by reducing the number of pixels to be examined, either by applying sampling or by lowering the resolution of the images by fusion of groups of contiguous pixels. which are averaged in one, so that the resolution and the number of data to be processed can be exponentially reduced. The technique, described in the Spanish patent with publication number 2 152 176, consists of making groups of 2x2 pixels, which can be imagined located in the vertices of a square, averaging its value of gray or brightness in a single element that we call a pixel . If new averages with groups of 2x2 pixels are made, the brightness or gray levels of the higher order pixels that are generated are equivalent to averages of groups of 4x4 pixels of the original image, which results in a spatial reduction of data of 2 2N factor, N being the number of averages made. The value of N is contextual and is related to the size of the object in the image, its texture and differential characteristics that allow it to be segmented or isolated from the rest of the image. A differential feature is movement. When comparing two successive images in sufficiently short time intervals, the background of the image remains fixed as the lighting changes are usually negligible. That is why you can easily distinguish which regions of the images have changed and associate the change to the different positions of a mobile in the images. For the total process to be efficient, it is necessary that the generation of the reduced resolution images be simultaneous or with negligible delay in relation to the images delivered by the sensors and, similarly, when working in a region of an image With reduced resolution, the corresponding coordinates of that region are easily deduced in the maximum resolution image. This type of parallelism is perfectly achievable with FPGA or CPLD devices, since its resources allow them to be configured to operate in this way.

La invención que se describe consiste en una serie de algoritmos cuya implementación en hardware de alta velocidad permite extraer o segregar las regiones correspondientes al móvil e identificar en esas regiones puntos de su contorno que puedan ser identificados fácilmente en imágenes de la secuencia. Las ventajas que ello supone son, en primer lugar, facilitar la búsqueda de correspondencia de un punto en cada par de imágenes y, en segundo lugar, facilitar la identificación del mismo punto en el par de imágenes siguiente.The invention described consists of a series of algorithms whose implementation in high speed hardware allows to extract or segregate the regions corresponding to the mobile and identify in those regions points of its contour that can be easily identified in images of the sequence. The advantages that this implies are, firstly, to facilitate the search for correspondence of a point in each pair of images and, secondly, to facilitate the identification of the same point in the following pair of images.

Los algoritmos se inician con uno que permite obtener una imagen del fondo de escena libre de móviles, guardando la imagen fondo en una memoria FIFO -First In First Out- de donde se lee en el mismo orden en que se escribe. El proceso de lectura es síncrono con la entrada de los máxeles de una imagen de igual resolución, comparándose ambas imágenes máxel a máxel, lo que permite extraer y marcar aquellos máxeles de la imagen entrante cuyos brillos difieren de la imagen fondo por encima de un umbral, lo que supone asociarlos a una región de móvil. Al tiempo que se extraen y marcan los máxeles correspondientes al móvil, otro algoritmo actualiza la imagen de fondo de una manera selectiva que retarda la incorporación de brillos de regiones móviles en el fondo, mientras que absorbe rápidamente los pequeños cambios de brillo que, por cambios de la iluminación ambiental, puedan afectar ligeramente al brillo de las regiones de fondo. De esta forma se obtiene un fondo actualizado con cada imagen entrante, rescribiéndolo en la FIFO, y se habilita un mecanismo que, en caso de que el móvil se detenga, después de unas pocas imágenes lo incorpora al fondo actualizado, sustituyendo al fondo que queda ocluido por él. En paralelo con los procesos de los algoritmos anteriores, unos contadores registran la evolución de las coordenadas (x,y) de los máxeles de la imagen entrante, lo que permite registrar las coordenadas de aquellos que corresponden a regiones del móvil y conocer cuales han sido las coordenadas mínimas y máximas de los máxeles correspondientes al móvil, utilizando en el proceso de registro las marcas que se les han asignado en el paso anterior. Dado que las coordenadas mínimas y máximas corresponden a puntos del contorno y que los algoritmos se aplican paralelamente en cada una de las imágenes del par, la asociación de puntos mínimos y máximos en ambas imágenes se hace en tiempo real y equivale a una asociación de correspondencia que no se puede considerar definitiva, ya que los procesos se han llevado a cabo en imágenes de baja resolución. Sin embargo, la asociación existe y sirve de referencia en un proceso externo donde, partiendo de las coordenadas Min/Max obtenidas y por una simple conversión de coordenadas de baja resolución a las correspondientes de alta resolución, se buscará una coincidencia óptima de regiones en las imágenes de alta resolución que será la que proporcione las coordenadas de correspondencia a nivel de píxeles, en un proceso corto que se ejecuta mientras el susbsistema de baja resolución está procesando el siguiente par de imágenes. De esta forma, el proceso total se realiza en tiempo real, siendo el retardo que se tiene en presentar los datos de distancia o velocidad inferior al tiempo que dura una imagen.The algorithms begin with one that allows obtaining an image of the mobile-free scene background, saving the background image in a FIFO memory - First In First Out - from where it is read in the same order in which it is written. The reading process is synchronous with the input of the pixels of an image of equal resolution, comparing both images pixel to pixel, which allows to extract and mark those pixels of the incoming image whose brightness differs from the background image above a threshold , which means associating them with a mobile region. While extracting and marking the corresponding mobile pixels, another algorithm updates the background image in a selective way that delays the incorporation of brightness from mobile regions in the background, while quickly absorbing small changes in brightness that, due to changes of ambient lighting, may slightly affect the brightness of the background regions. In this way an updated background is obtained with each incoming image, rewriting it in the FIFO, and a mechanism is enabled that, in case the mobile stops, after a few images it incorporates it to the updated background, replacing the remaining background occluded by him. In parallel with the processes of the previous algorithms, counters record the evolution of the coordinates (x, y) of the incoming image's pixels, which allows to register the coordinates of those corresponding to regions of the mobile and to know which have been the minimum and maximum coordinates of the maximum corresponding to the mobile, using the marks assigned in the previous step in the registration process. Since the minimum and maximum coordinates correspond to contour points and the algorithms are applied in parallel in each of the images of the pair, the association of minimum and maximum points in both images is done in real time and is equivalent to a correspondence association which cannot be considered definitive, since the processes have been carried out in low resolution images. However, the association exists and serves as a reference in an external process where, starting from the obtained Min / Max coordinates and by a simple conversion of low resolution coordinates to the corresponding high resolution coordinates, an optimal coincidence of regions in the regions will be sought. High-resolution images that will be the one that provides the pixel-level correspondence coordinates, in a short process that runs while the low-resolution subsystem is processing the next pair of images. In this way, the total process is carried out in real time, being the delay in presenting the distance or speed data less than the duration of an image.

El proceso de correspondencia fina se realiza en un procesador externo en cuya memoria se han ido almacenando el par de imágenes de alta resolución al tiempo que se estaban generando, las de baja resolución y las marcas binarias que identifican regiones del móvil, así como las coordenadas de los puntos del contorno de los que se elegirán aquellos dos que, en función de la iluminación ambiental, presenten mayor contraste por estar libres de sombras. El proceso de búsqueda de correspondencia a nivel de píxeles se realiza con un algoritmo software cuya duración es bastante corta, ya que la región de búsqueda se acota al tamaño que supondría la descompresión del máxel de la imagen de baja resolución que se ha utilizado, ampliándose en dos máxeles a cada lado para absorber posibles errores en los valores de las coordenadas de baja resolución que se han transferido. Así, con carácter ilustrativo pero no limitativo, si las imágenes de baja resolución que se utilizaran fueran el resultado de dos compresiones, cada máxel correspondería a 4x4 píxeles. En tal caso, la región de búsqueda se acota en 5x5 máxeles, siendo el central aquel en que se ha fijado el punto específico de correspondencia. En alta resolución, los 5x5 máxeles corresponden a una ventana de 20x20 píxeles, donde se desplaza la región central de 3x3 máxeles, es decir, 12x12 píxeles, para buscar la posición de coincidencia máxima entre las dos imágenes del par, cuyas coordenadas centrales serán las de P_{d}(x_{d},y_{d}) y P_{i}(x_{i},y_{i}).The fine correspondence process is carried out in an external processor in whose memory the pair of high resolution images have been stored at the time they were being generated, those of low resolution and the binary marks that identify regions of the mobile, as well as the coordinates of the contour points from which those two will be chosen that, depending on the ambient lighting, have greater contrast because they are free of shadows. The process of searching for correspondence at the pixel level is performed with a software algorithm whose duration is quite short, since the search region is limited to the size that would suppose the decompression of the low resolution image pixel that has been used, expanding in two pixels on each side to absorb possible errors in the values of the low resolution coordinates that have been transferred. Thus, with an illustrative but not limiting nature, if the low-resolution images that were used were the result of two compressions, each pixel would correspond to 4x4 pixels. In this case, the search region is limited to 5x5 pixels, the central one being the one where the specific point of correspondence has been set. In high resolution, the 5x5 pixels correspond to a window of 20x20 pixels, where the central region of 3x3 pixels, that is, 12x12 pixels, is moved to find the maximum coincidence position between the two images of the pair, whose central coordinates will be the of P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) and P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}).

Por otra parte, en todo sistema de medida es necesario saber la precisión y exactitud con la que es capaz de medir. Derivando la ecuación (1) es fácil deducir que \frac{dL}{d|d_{i}-d_{d}|} = \frac{L^{2}}{bf}, \qquad \text{equivalente a} \qquad \Delta L = \frac{L^{2}}{bf}\cdot\Delta|d_{i}-d_{d}| = \frac{L^{2}}{bf}\cdot\Delta d\eqnum{(11)} donde \DeltaL representa la resolución en distancia, es decir, el mínimo cambio discernible en la distancia L medida, correspondiente al valor de \Deltad mínimo, o mínimo valor de la disparidad d_{i}-d_{d}. El valor de \Deltad es el paso entre píxeles. La ecuación (11) indica que la resolución en distancia es tanto mejor, o que las distancias discernibles son más pequeñas, cuanto mayores sean la distancia focal f y la línea base b, y que crece o decrece proporcionalmente con la resolución del sensor, \Deltad, determinada por el número de píxeles por unidad de longitud, mientras que empeora proporcionalmente al cuadrado de la distancia L. En base a estos datos, después de seleccionar el sensor más conveniente y conocer su resolución \Deltad, el diseño y configuración de un sistema de medida de velocidades puede realizarse contextualmente, relacionando el rango de velocidades que se desea medir y la distancia de los móviles con la longitud de la línea base b que debe tener el sistema, ya que las lentes disponibles en el mercado permiten seleccionarlas dentro de una relativamente amplia gama de calidades y valores de distancia focal f.On the other hand, in every measurement system it is necessary to know the precision and accuracy with which it is capable of measuring. Deriving equation (1) it is easy to deduce that \ frac {dL} {d | d_ {i} -d_ {d} |} = \ frac {L ^ {2}} {bf}, \ qquad \ text {equivalent to} \ qquad \ Delta L = \ frac { L2} {bf} \ cdot \ Delta | d_ {i} -d_ {d} | = \ frac {L2} {bf} \ cdot \ Delta d \ eqnum {(11)} where \ DeltaL represents the distance resolution, that is, the minimum discernible change in the measured distance L, corresponding to the value of \ Minimum deltad, or minimum value of the disparity d_ {i} -d_ {d}. The value of \ Deltad is the step between pixels. Equation (11) indicates that the distance resolution is so much better, or that the discernible distances are smaller, the greater the focal length f and the baseline b, and that it grows or decreases proportionally with the resolution of the sensor, \ Deltad , determined by the number of pixels per unit length, while it worsens proportionally to the square of the distance L. Based on this data, after selecting the most convenient sensor and knowing its resolution \ Deltad, the design and configuration of a system Speed measurement can be done contextually, relating the range of speeds that you want to measure and the distance of the mobiles with the length of the baseline b that the system must have, since the commercially available lenses allow you to select them within a relatively wide range of qualities and focal length values f.

Si bien \Deltad determinará la mejor resolución que se puede esperar del sistema, la precisión de las medidas estará relacionada a la repetibilidad o variación de los valores que se obtienen al realizar varias veces una misma medida en unas determinadas condiciones. Los valores obtenidos al efectuar las medidas suelen presentar una distribución estadística normal, representada por la varianza de dicha distribución e indicativa de la precisión del sistema. Por otra parte, la exactitud de las medidas depende de los errores sistemáticos debidos a errores de calibración, desajustes o defectos en la configuración del sistema. Tanto la precisión como la exactitud pueden determinarse y optimizarse cuando el sistema está instalado y preparado para medir.While \ Deltad will determine the best resolution what can be expected from the system, the accuracy of the measurements will be related to the repeatability or variation of the values which are obtained by performing the same measure several times in some certain conditions The values obtained when making the measures usually have a normal statistical distribution, represented by the variance of said distribution and indicative of System accuracy On the other hand, the accuracy of measures depends on systematic errors due to errors of calibration, mismatches or defects in the system configuration.  Both precision and accuracy can be determined and optimize when the system is installed and ready to to size.

Descripción de una realización preferidaDescription of a preferred embodiment

Dado que la línea base es un parámetro importante en cualquier ecuación relacionada a la medida de distancias por imágenes estéreo, se precisa una estructura rígida y resistente, preferiblemente de aluminio, que contenga la circuitería electrónica y que permita la colocación de las cámaras en una base estable, cuya longitud, grosor y resistencia deben ser acordes al uso al que se destine el sistema.Since the baseline is an important parameter in any equation related to the measure of distances by stereo images, a rigid and resistant structure is required, preferably aluminum, containing electronic circuitry and that allows the placement of the cameras on a stable base, whose length, thickness and strength must be consistent with the use of that the system be destined.

En el soporte rígido indicado en las Figuras 4a, 4b y 4c se esquematizan posibles disposiciones de las cámaras D e I, de los circuitos impresos que realizan el procesamiento de imágenes, identificados como Subsistema D y Subsistema I, y del circuito impreso del Adaptador que concentra los datos de ambos canales para enviarlos al sistema externo a través de un cable identificado como Cable S.On the rigid support indicated in Figures 4a, 4b and 4c outline possible arrangements of the cameras D e I, of the printed circuits that perform the processing of images, identified as Subsystem D and Subsystem I, and of the printed circuit of the adapter that concentrates the data of both channels to send them to the external system through a cable identified as Cable S.

Los circuitos impresos están unidos entre sí por cables identificados como Cable D y Cable I según el canal al que están asociados. En función de la longitud conveniente para la línea base, los elementos del adaptador de canales y los subsistemas de cada canal están preferiblemente concentrados en una única tarjeta de circuito impreso situada aproximadamente en el centro de la línea base, tal como se detalla en la Figura 4a, pero pueden estar separados, si la longitud de la línea base es relativamente grande y la calidad de las señales requiere que se dispongan los subsistemas de procesamiento a distancias aproximadamente iguales de las cámaras y del adaptador de canales.Printed circuits are linked together by cables identified as Cable D and Cable I according to the channel to which are associated. Depending on the length suitable for the baseline, channel adapter elements and subsystems of each channel are preferably concentrated in a single printed circuit board located approximately in the center of the baseline, as detailed in Figure 4a, but may be separated, if the length of the baseline is relatively large and the quality of the signals requires that the processing subsystems at approximately equal distances of cameras and channel adapter.

También es posible fijar y conexionar las cámaras como detalla la Figura 4b, directamente sobre los subsistemas que pueden deslizarse y fijarse a lo largo del soporte rígido para que la distancia b entre los ejes ópticos sea la más conveniente y, si la longitud de la línea base no es excesivamente grande, en un único circuito impreso se pueden montar las cámaras y toda la circuitería electrónica, como muestra la Figura 4c, donde, con el fin de tener una mayor versatilidad y permitir distintas longitudes de línea base, se dispone de más de una ubicación o receptáculo para las cámaras de cada canal, lo que es aplicable también en las Figuras 4a y 4b. Así, con carácter ilustrativo pero no limitativo, la cámara D puede estar en la ubicación D1 o D2, y la cámara I en la I1 o I2, lo que permite disponer de cuatro longitudes diferentes de línea base, si son distintas las distancias D1-D2 y la I1-I2. Las cámaras, aparte de su conexión eléctrica, se unen mecánicamente a sus soportes con tornillos especiales o elementos mecánicos regulables que permiten un ajuste fino de la orientación de sus planos focales, para conseguir el paralelismo de los eje
ópticos.
It is also possible to fix and connect the cameras as detailed in Figure 4b, directly on the subsystems that can slide and be fixed along the rigid support so that the distance b between the optical axes is the most convenient and, if the length of the line base is not excessively large, in a single printed circuit the cameras and all electronic circuitry can be mounted, as shown in Figure 4c, where, in order to have greater versatility and allow different lengths of baseline, more are available of a location or receptacle for the cameras of each channel, which is also applicable in Figures 4a and 4b. Thus, with an illustrative but not limiting nature, the camera D can be in the location D1 or D2, and the camera I in the I1 or I2, which allows to have four different baseline lengths, if the distances D1- are different D2 and I1-I2. The cameras, apart from their electrical connection, are mechanically attached to their supports with special screws or adjustable mechanical elements that allow a fine adjustment of the orientation of their focal planes, to achieve the parallelism of the axes
Optical

Por las características dinámicas de las escenas, el sistema debe operar con elevada velocidad de procesamiento de imágenes. Por ello, la realización preferible está basada en circuitos hardware basados en dispositivos de tipo FPGA, CPLD o DSP, ya que la aplicación de algoritmos software para captura de imágenes daria, en general, respuestas más lentas y serían inadecuados para obtener los datos precisos en intervalos de tiempo cortos. Para una mejor comprensión del funcionamiento de la circuitería y sus bloques funcionales se adjunta la Figura 5, que muestra el subsistema de procesamiento de uno de los dos canales, idéntico al otro en estructura y funcionalidad, así como el conjunto de elementos comunes a los dos canales. La función de los bloques y señales de procesamiento se describe a
continuación:
Due to the dynamic characteristics of the scenes, the system must operate with high image processing speed. Therefore, the preferable embodiment is based on hardware circuits based on FPGA, CPLD or DSP type devices, since the application of software algorithms for image capture would, in general, slower responses and would be inadequate to obtain the precise data in short time intervals For a better understanding of the operation of the circuitry and its functional blocks, Figure 5 is attached, which shows the processing subsystem of one of the two channels, identical to the other in structure and functionality, as well as the set of elements common to the two channels The function of the processing blocks and signals is described at
continuation:

Oscilador maestroMaster oscillator

Común a los dos canales, para que ambos actúen sincronizados por él. Los pares estéreo se captan en los mismos instantes de tiempo, pues de otra forma no sería posible obtener la correspondencia instantánea de los puntos P_{i}(x_{i},y_{i}) y P_{d}(x_{d},y_{d}) que se observan en las secuencias de imágenes. De sus coordenadas se deducen los espacios recorridos en los intervalos de tiempo que se fijen. Del reloj maestro se derivan dichos intervalos que, aplicados en la ecuación (2), permiten calcular velocidades.Common to both channels, so that both act synchronized by him. The stereo pairs are captured in them moments of time, otherwise it would not be possible to obtain instant correspondence of the points P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}) and P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) which are observed in the image sequences. Of its coordinates the spaces covered in the time intervals that are deducted are deducted be fixed. These intervals are derived from the master clock which, applied in equation (2), they allow to calculate speeds.

Procesador externoExternal processor

Es el elemento común que, a través de un operador y con un software específico para cálculo y presentación de velocidades, configura los dos canales del sistema por medio de instrucciones de salida que son decodificadas o interpretadas en los canales. Además, almacena las imágenes captadas por los dos sensores y otras de baja resolución con señales que sirven como complemento para buscar la correspondencia y coordenadas de los puntos P_{i}(x_{i},y{i}) y

\hbox{P _{d} (x _{d} ,y _{d} )}
en alta resolución. El programa software, por la ecuación (10) obtiene los espacios recorridos por el móvil y, por la ecuación (2), calcula, registra y muestra las distancias y velocidades medidas y, opcionalmente, una serie de datos adicionales como la hora y condiciones en que se realizan las medidas, las imágenes de las que se obtienen y datos como varianzas, distancias al móvil en cada par estéreo según la ecuación (9) y otras afines que, según el interés del usuario, pueden obtenerse por software a partir de los datos registrados en las memorias del procesador.It is the common element that, through an operator and with a specific software for calculation and presentation of speeds, configures the two channels of the system by means of output instructions that are decoded or interpreted in the channels. In addition, it stores the images captured by the two sensors and others of low resolution with signals that serve as a complement to find the correspondence and coordinates of the points P_ {i} (x_ {i}, and {i}) and
 \ hbox {P d (x d, y d)} 
in high resolution. The software program, by equation (10) obtains the spaces covered by the mobile and, by equation (2), calculates, records and displays the distances and speeds measured and, optionally, a series of additional data such as time and conditions in which the measurements are made, the images from which they are obtained and data such as variances, distances to the mobile in each stereo pair according to equation (9) and other related ones that, according to the user's interest, can be obtained by software from the data recorded in the processor memories.

Adaptador de canalesChannel adapter

Elemento común que distribuye instrucciones a los dos canales y almacena de modo temporal los datos procedentes de ellos, secuenciando o multiplexando su transmisión al procesador. Contiene una memoria FIFO -First In First Out- para cada canal, lo que le permite transmitir a mayor velocidad de la que recibe, haciéndolo a ráfagas alternadas entre ambos canales cuando las FIFOs contienen un número de datos que excede un valor prefijado configurable desde el procesador, quedando vacías las dos FIFOs al finalizar el procesamiento de un par estéreo. El adaptador inserta cabeceras predeterminadas al inicio de cada ráfaga de FIFO, para indicar de qué canal proceden los datos que siguen. Actúa también como interfaz de adaptación de los niveles eléctricos de las señales que emiten/reciben los canales y aquellas que recibe/emite el procesador.Common element that distributes instructions to the two channels and temporarily stores the data coming from them, sequencing or multiplexing its transmission to the processor. It contains a FIFO memory - First In First Out - for each channel, which allows it to transmit at a faster rate than it receives, making it at alternate bursts between both channels when the FIFOs contain a number of data that exceeds a configurable preset value from the processor, leaving the two FIFOs empty at the end of the processing of a stereo pair. The adapter inserts default headers at the start of each FIFO burst, to indicate from which channel the data that follows follows. It also acts as an interface to adapt the electrical levels of the signals emitted / received by the channels and those received / emitted by the processor.

Lente y SensorLens and Sensor

Constituyen una cámara que capta las imágenes de las escenas. Las salidas de la cámara son las señales que genera el sensor de imagen CCD o CMOS, adaptadas en características y niveles eléctricos para su transmisión. De modo ilustrativo y no limitativo, en la Figura 5 se concentran en 8 señales de un bus identificado como Im(7..0), que contiene codificados los niveles de brillo de los píxeles e incluso de los tiempos inactivos entre píxeles. Para mayor claridad de la Figura 5 no se muestran otras señales que suministran siempre estos sensores, cuyas funciones son la validación de los datos Im(7..0) por una señal conocida como reloj de pixel, el sincronismo horizontal o de líneas y el sincronismo vertical o de imágenes. Estas señales están relacionadas a la frecuencia y fase del Oscilador maestro anteriormente descrito que, con la circuitería necesaria para ello, controla la tasa de imágenes y los sincronismos.They constitute a camera that captures the images of the scenes. The camera outputs are the signals generated by the CCD or CMOS image sensor, adapted in characteristics and electrical levels for transmission. Illustratively and not limitatively, in Figure 5, they concentrate on 8 signals from a bus identified as Im (7..0), which contains the pixel brightness levels and even the idle times between pixels. For greater clarity of Figure 5, no other signals are always shown that always supply these sensors, whose functions are the validation of the data Im (7..0) by a signal known as pixel clock, horizontal or line synchronism and the vertical or image synchronism. These signals are related to the frequency and phase of the Master Oscillator described above which, with the circuitry necessary for it, controls the rate of images and synchronisms.

Decodificador de comandosCommand decoder

Recibe las instrucciones del procesador que controla el sistema. Decodifica las instrucciones recibidas y, por medio de un protocolo y conversión a señales interpretables por los sensores, los configura para que suministren las imágenes con un número variable de líneas y columnas de píxeles, adapta la sensibilidad de los sensores a las condiciones luminosas de las escenas, regula la tasa de imágenes que suministran ajustando retardos entre líneas sucesivas e imágenes sucesivas y gradúa los niveles de gris de los píxeles sobre umbrales o niveles de negro variables, para compensar posibles diferencias en las características de los sensores del canal derecho e izquierdo.Receive the processor instructions that control the system Decode the instructions received and, by means of a protocol and conversion to interpretable signals by sensors, configure them to provide images with a variable number of lines and columns of pixels, adapts the Sensitivity of the sensors to the light conditions of the scenes, regulates the rate of images supplied by adjusting delays between successive lines and successive images and graduates the pixel gray levels over thresholds or black levels variables, to compensate for possible differences in characteristics of the right and left channel sensors.

Interfaz entrada/salida del canalChannel input / output interface

Multiplexa los datos que se envían al procesador y separa las instrucciones de formato y tasa de imágenes que configuran sensor y Generador multirresolución, de aquellas relativas a módulos de procesamiento de imágenes.Multiplex the data sent to the processor and separate the formatting and image rate instructions that configure sensor and multiresolution generator, of those related to image processing modules.

Generador multirresoluciónMulti-Resolution Generator

Realiza promedios sucesivos de 4 a 1, generando imágenes de resolución 1/2^{2N} a través del bus Mx(7..0). El valor de N es parte de una instrucción emitida por el procesador que se interpreta en el Decodificador de comandos de sensores. Las imágenes de baja resolución se utilizan para acelerar el proceso de localización de móviles en las escenas. Dado que en determinadas aplicaciones no es necesario utilizar toda la información que aportan los 8 a 10 bits que codifican el brillo de los píxeles, por otras instrucciones se puede ordenar el truncamiento de los bits menos significativos que se consideren innecesarios, tanto de la imagen de alta resolución como de la imagen de baja resolución que se obtenga a la salida del generador.Make successive averages of 4 to 1, generating 1/2 2N resolution images through the Mx bus (7..0). The value of N is part of an instruction issued by the processor that is interpreted in the Sensor Command Decoder. Low resolution images are used to accelerate the process of locating mobiles in scenes. Since in certain applications it is not necessary to use all the information provided by the 8 to 10 bits that encode the brightness of the pixels, by other instructions you can order the truncation of the least significant bits that are considered unnecessary, both from the image of high resolution as of the low resolution image obtained at the generator output.

Decodificador de umbralesThreshold decoder

Recibe instrucciones específicas del procesador y extrae de ellas los valores umbrales que se utilizan en los bloques identificados como Extractores de fondo y de máscara.Receive specific instructions from the processor and  extract from them the threshold values used in the blocks  identified as background and mask extractors.

Extractor de fondo y FIFO de fondoBackground extractor and background FIFO

Trabajan en paralelo. El extractor recibe imágenes de baja resolución Mx(7..0) y las transfiere a una FIFO externa, máxel a máxel, después de realizar una actualización rápida del brillo de los máxeles que están por debajo de un umbral de diferencia de brillo y una actualización lenta con aquellos que lo superan. El extractor hace una comparación, máxel a máxel, entre la imagen que está recibiendo y la de igual resolución que extrae de la FIFO, que es la imagen del fondo actualizado con la imagen previa. Los máxeles entrantes cuya diferencia con los máxeles correspondientes de la imagen fondo supera el umbral establecido, se consideran pertenecientes a un móvil y se actualizan en un porcentaje pequeño del valor de la diferencia con la imagen fondo, mientras los máxeles que están por debajo del umbral se actualizan en un porcentaje alto. Después de cada corrección, los máxeles se reenvían a la FIFO que queda así actualizada con un valor de brillo casi igual al de la imagen entrante en los máxeles que corresponden a fondo, que pueden haber cambiado ligeramente por efecto de la luz ambiental, mientras que los máxeles que contienen diferencias altas con el umbral se aproximan en su valor al del brillo del máxel entrante, pero lentamente, para mantener las diferencias con el umbral en la imagen siguiente. De esta forma, si un móvil llegara a quedarse quieto, al cabo de unas 15 ó 20 imágenes de actualización se integraría en la imagen fondo, ya que dejaría de ser móvil al quedar quieto, sustituyendo progresivamente al fondo real que esté siendo ocluido por él. En escenas donde el móvil evoluciona, el efecto de la corrección lenta en la imagen fondo es una estela del móvil que modifica muy ligeramente el valor del fondo, manteniendo la diferencia con el umbral al hacer comparaciones con la siguiente imagen entrante y permitiendo extraer el móvil del fondo y determinar su trayectoria. Dado que la comparación se hace con imágenes de resolución inferior a la de las generadas por los sensores, es decir, con un número de máxeles que será 1/4, 1/16 ó 1/2^{2N} del de píxeles entrantes al Generador multirresolución, es posible realizar todas las operaciones de comparación y recarga de la FIFO sin que el tiempo sea un factor crítico.They work in parallel. The extractor receives Low resolution images Mx (7..0) and transfer them to a External FIFO, max to max, after performing an update fast brightness of the pixels that are below a brightness difference threshold and a slow update with those who overcome it. The extractor makes a comparison, max at max, between the image you are receiving and the same resolution extracted from FIFO, which is the background image Updated with the previous image. The incoming pixels whose difference with the corresponding pixels of the background image exceeds the established threshold, they are considered to belong to a mobile and are updated in a small percentage of the value of the difference with the background image, while the pixels that are around below the threshold they are updated in a high percentage. After each correction, the pixels are forwarded to the FIFO that looks like this updated with a brightness value almost equal to that of the image incoming in the corresponding maximum pixels, which may be slightly changed due to the effect of ambient light, while the pixels that contain high differences with the threshold are approximate in value to the brightness of the incoming pixel, but slowly, to keep the differences with the threshold in the next picture. In this way, if a mobile were to stay still, after about 15 or 20 update images would integrate into the background image, since it would cease to be mobile at stand still, gradually replacing the real fund that is being occluded by him. In scenes where the mobile evolves, the slow correction effect on the background image is a wake of the mobile that modifies the value of the fund very slightly, keeping the difference with the threshold when making comparisons with the following incoming image and allowing to extract the mobile from the background and Determine your trajectory. Since the comparison is made with resolution images lower than those generated by the sensors, that is, with a number of pixels that will be 1/4, 1/16 or 1/2 N of the incoming pixel to the Multi-Resolution Generator, it is possible to perform all comparison and reload operations of FIFO without time being a critical factor.

La creación del primer fondo se hace en menos de un segundo al iniciar la operación del sistema, eliminando los móviles que puedan existir en las primeras imágenes, si los hay. Con tasas de 25 imágenes/segundo son suficientes 20 imágenes para tener un fondo útil. El valor del umbral de las diferencias de brillo, relacionado a la luminosidad de las escenas, se reajusta automáticamente en el procesador por un algoritmo que obtiene el brillo medio de las imágenes que recibe, generando instrucciones de actualización de umbral cuando éste ha cambiado. Los canales separan las instrucciones y, a través de sus Decodificadores de umbrales, configuran los comparadores del Extractor de fondo.The creation of the first fund is done in less than one second when starting the operation of the system, eliminating the mobiles that may exist in the first images, if any. With rates of 25 images / second, 20 images are sufficient for Have a useful background. The threshold value of the differences of brightness, related to the brightness of the scenes, is reset automatically in the processor by an algorithm that gets the average brightness of the images you receive, generating instructions from threshold update when it has changed. The channels separate the instructions and, through their Decoders thresholds, set the background Extractor comparators.

Extractor de máscara MskMsk mask extractor

Actúa comparando la imagen fondo y la imagen de baja resolución entrantes a él. Utiliza otro umbral similar al anteriormente citado para generar una imagen que sólo contiene información en los máxeles que corresponden a región móvil, mientras que el resto se codifican nulos. De esta forma se obtiene una imagen máscara binaria correspondiente a la de baja resolución, codificada con valor 1 ó 0 para las regiones de móvil y los opuestos, 0 ó 1, para el fondo. Los bits Msk de la máscara binaria se envían al procesador como cabecera o pie de los brillos de los máxeles de la imagen de baja resolución Mx(7..0). Así se identifica a los máxeles que corresponden a móvil, facilitando la extracción de coordenadas de la región de móvil en las imágenes de alta resolución, por relación con las coordenadas de éste en baja resolución.It acts by comparing the background image and the low resolution image incoming to it. It uses another threshold similar to the one mentioned above to generate an image that only contains information in the pixels corresponding to the mobile region, while the rest are null. In this way, a binary mask image corresponding to the low resolution image is obtained, encoded with a value of 1 or 0 for the mobile regions and the opposite ones, 0 or 1, for the background. The Msk bits of the binary mask are sent to the processor as the header or footer of the brightness of the pixels of the low resolution image Mx (7..0). This identifies the pixels that correspond to mobile, facilitating the extraction of coordinates from the mobile region in high resolution images, in relation to the coordinates of the mobile in low resolution.

Min/Max Min / max

Bloque funcional encargado de registrar las coordenadas máximas y mínimas de la región móvil extraída de la máscara binaria. Los puntos P_{i}(x_{i},y_{i}) y P_{d}(x_{d},y_{d}) de la imagen de alta resolución pueden estar situados en una ordenada y_{i} = y_{d} igual o muy próxima a la que corresponde a Ymin o Ymax, o en la ordenada correspondiente a los puntos Xmin o Xmax, que se obtienen después de hacer la correspondencia de baja a alta resolución. Las coordenadas Xmin, Xmax, Ymin e Ymax identifican puntos significativos del contorno del móvil que contrastan con el fondo de imagen, por lo que son referencias útiles para hacer su seguimiento y, con ese fin, se envían al procesador después de finalizar el envío de los datos contenidos en la FIFO baja resolución.Functional block responsible for recording the maximum and minimum coordinates of the mobile region extracted from the binary mask. Points P_ {i} (x_ {i}, y_ {i}) and P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) of the high-resolution image can be located in an ordinate y_ {i} = y_ {d} equal or very close to that corresponding to Ymin or Ymax , or in the ordinate corresponding to points Xmin or Xmax , which are obtained after making the correspondence from low to high resolution. The Xmin , Xmax , Ymin and Ymax coordinates identify significant points of the contour of the mobile that contrast with the image background, so they are useful references to track and, to that end, are sent to the processor after completing the sending of the data contained in the low resolution FIFO.

FIFO baja resoluciónFIFO low resolution

Almacena temporalmente los máxeles de la imagen de baja resolución Mx(7..0) utilizada en los procesos de extracción de fondo y máscara, además del bit Msk que identifica los máxeles de región móvil. Dado que el número de datos en esta FIFO es relativamente bajo, para su transmisión al adaptador de canales se intercalan de forma periódica entre los píxeles Im(7..0) de la imagen de alta resolución. Con esta imagen de baja resolución y la correspondiente del otro canal, ambas con información de la posición del móvil y de las coordenadas extremas de él Xmin, Xmax, Ymin e Ymax, el procesador hace una estimación de las coordenadas de los puntos P_{i}(x_{i},y_{i}) y P_{d}(x_{d},y_{d}) correspondientes en las imágenes de alta resolución que tiene almacenadas en la memoria y, buscando las mínimas diferencias en procesos de comparación de brillos de pequeñas regiones alrededor de tales puntos, hace de forma selectiva la búsqueda rápida, precisa y definitiva de las coordenadas x_{i} y X_{d}, para calcular a partir de ellas las distancias recorridas en los intervalos de tiempo prefijados para obtener las medidas de velocidad.Temporarily stores the pixels of the low resolution image Mx (7..0) used in the background and mask extraction processes, in addition to the Msk bit that identifies the mobile region pixels. Since the number of data in this FIFO is relatively low, they are periodically interleaved between the pixels Im (7..0) of the high resolution image for transmission to the channel adapter. With this low resolution image and the corresponding one from the other channel, both with information on the mobile position and the extreme coordinates of it Xmin , Xmax , Ymin and Ymax , the processor estimates the coordinates of the points P_ {i } (x_ {i}, y_ {i}) and P_ {d} (x_ {d}, y_ {d}) corresponding in the high-resolution images stored in memory y, looking for the minimum differences in processes of Comparison of brightness of small regions around such points, selectively makes the fast, precise and definitive search of the coordinates x_ {i} and X_ {d}, to calculate from them the distances traveled in the predetermined time intervals to get the speed measurements.

Claims (11)

1. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, caracterizado por utilizar técnicas multirresolución para hacer el análisis de imágenes estéreo y acelerar los procesos de búsquedas de correspondencias estéreo.1. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, characterized by using multiresolution techniques to analyze stereo images and accelerate the process of searching stereo maps. 2. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según reivindicación 1, caracterizado por su capacidad para realizar las siguientes funciones:2. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claim 1, characterized by its ability to perform the following functions: Primera. Obtener puntos significativos en contornos de regiones móviles en secuencias de imágenes estéreo captadas por dos cámaras dispuestas sobre un soporte rígido, realizando para ello las siguientes operaciones o pasos en ambos canales estéreo simultáneamente:First. Obtain significant points in contours of mobile regions in stereo image sequences captured by two cameras arranged on a rigid support, performing the following operations or steps in both stereo channels simultaneously:
a-to-
Reducir la resolución por una o más compresiones sucesivas de 2x2 elementos a 1.Reduce the resolution by one or more successive compressions of 2x2 elements to 1.
b-b-
Comparar las imágenes de resolución reducida con otras de igual resolución que contienen el fondo de las escenas, actualizando dicho fondo con la imagen entrante en base a un umbral de diferencias de brillo entre ambas imágenes.Compare resolution images reduced with others of equal resolution that contain the background of the scenes, updating said background with the incoming image based on a threshold of brightness differences between both images.
c-C-
Simultáneamente con el paso anterior, extraer las regiones móviles por diferencia de brillos entre los elementos de las imágenes entrantes y las existentes como fondo.Simultaneously with the previous step, extract the mobile regions by difference of brightness between the elements of incoming and existing images as background.
d-d-
En paralelo con c), extraer una máscara binaria que identifica regiones móviles y estáticas por el valor de un bit, asignado en referencia a un umbral de brillo.In parallel with c), extract a binary mask that identifies regions mobile and static for the value of one bit, assigned in reference at a threshold of brightness.
e-and-
Añadir al código de brillo de cada elemento de la imagen de resolución reducida el bit correspondiente de la imagen binaria extraída en el paso d), como bit de cabecera o pié, y almacenar temporalmente el conjunto en una memoria FIFO.Add to the brightness code of each reduced resolution image element corresponding bit of the binary image extracted in step d), as a header bit or stand, and temporarily store the set in a memory FIFO
f-F-
Registrar las coordenadas mínimas y máximas de las regiones que identifican a los móviles en las imágenes binarias, al tiempo que éstas se están generando.Record the minimum coordinates and highs of the regions that identify mobiles in the Binary images, while these are being generated.
Segunda. Recibir de un procesador externo instrucciones con información para:Second. Receive from an external processor instructions with information for:
a-to-
Configurar los sensores y definir el tipo de imágenes que suministran.Configure the sensors and define the type of images they supply.
b-b-
Configurar el modo de operación del generador multirresolución que reduce la resolución de las imágenes que entregan los sensores.Configure the operating mode of the multi-resolution generator that reduces image resolution that deliver the sensors.
c-C-
Configurar los extractores de imagen de fondo y de máscara binaria.Configure image extractors background and binary mask.
Tercera. Recibir simultáneamente de ambos canales, en un elemento común a ellos provisto de dos FIFOs de longitudes y anchuras reconfigurables, una para cada canal, en forma progresiva y con secuencias periódicas desde cada canal, los siguientes datos:Third. Receive simultaneously from both channels, in an element common to them provided with two FIFOs of reconfigurable lengths and widths, one for each channel, in progressive and with periodic sequences from each channel, the Following data:
a-to-
Los pixeles de las imágenes de alta resolución generadas por los sensores.The pixels of high resolution images generated by sensors
b-b-
Los elementos contenidos en las FIFOs del paso e) previamente citado.The elements contained in the FIFOs of step e) previously aforementioned.
c-C-
Las coordenadas mínimas y máximas registradas en el paso f) previamente citado.The minimum and maximum coordinates recorded in step f) previously aforementioned.
Cuarta. Transmitir a un procesador externo los datos contenidos en las dos FIFOs del elemento común a ambos canales, en fragmentos tomados alternadamente de las dos FIFOs y transmitidos en ráfagas de alta velocidad antes de que los sensores comiencen a generar un nuevo par de imágenes, a fin de que el procesador les aplique una serie de algoritmos software para la búsqueda precisa de la correspondencia de puntos específicos en el contorno de la región móvil y calcular los valores de distancia y velocidad.Quarter. Transmit to an external processor the data contained in the two FIFOs of the common element to both channels, in fragments taken alternately from the two FIFOs and transmitted in high-speed bursts before the sensors begin to generate a new pair of images, in order that the processor apply a series of software algorithms for the precise search of the correspondence of specific points in the contour of the mobile region and calculate the distance and speed values.
3. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por disponer en cada uno de sus canales de un generador reconfigurable que suministra imágenes de resolución reducida por N compresiones sucesivas de 2x2 elementos a 1, siendo N un número entero enviado como parte de instrucciones externas que configuran al generador para que mantenga o reduzca el número de bits que codifican el brillo de los elementos de las imágenes entrantes a él y las salientes con menor resolución.3. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 and 2, characterized by having in each of its channels a reconfigurable generator that supplies images of reduced resolution by N successive compressions of 2x2 elements to 1, N being an integer sent as part of external instructions that configure the generator to maintain or reduce the number of bits that encode the brightness of the elements of the incoming images to it and the outgoing ones with lower resolution. 4. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por tener un extractor de fondo de imagen en cada canal, implementado en dispositivos hardware reconfigurables que, por instrucciones de un procesador externo, actualizan de forma inmediata el valor de un umbral de diferencia entre los brillos de elementos correspondientes de una imagen denominada de fondo y una imagen entrante con igual resolución, lo que permite compararlas a medida que van entrando los elementos de la última y, tomando como referencia dicho umbral, considerar los elementos de las imágenes entrantes como pertenecientes a una región móvil o a una estática y actualizar la imagen fondo con los brillos de la imagen entrante de una manera selectiva que retarda la actualización de regiones móviles mientras que aplica de forma casi inmediata los posibles cambios de brillo en las regiones estáticas, guardando los resultados de las actualizaciones de forma progresiva y ordenada elemento a elemento en memorias FIFO externas, de las que serán leídos en igual orden para comparar los elementos con los de nuevas imágenes entrantes, detectar nuevas regiones móviles y reactualizar la imagen fondo en la forma descrita.4. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 3, characterized by having an image background extractor in each channel, implemented in reconfigurable hardware devices that, by instructions of an external processor, update of immediately the value of a threshold of difference between the brightness of corresponding elements of an image called background and an incoming image with the same resolution, which allows them to be compared as the elements of the latter enter and, taking as reference the threshold , consider the elements of the incoming images as belonging to a mobile or static region and update the background image with the brightness of the incoming image in a selective way that delays the update of mobile regions while applying possible changes almost immediately brightness in static regions, saving results of the updates in a progressive and orderly way element by element in external FIFO memories, from which they will be read in the same order to compare the elements with those of new incoming images, detect new mobile regions and update the background image in the manner described. 5. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por disponer en cada uno de sus canales de un extractor de imágenes o máscaras binarias correspondientes a la región móvil que se extrae, asignando valores binarios 1 ó 0 a los elementos de la región móvil y los opuestos, 0 ó 1, a los elementos que corresponden a regiones del fondo de imagen no ocluidas por las regiones móviles.5. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 4, characterized by having in each of its channels an image extractor or binary masks corresponding to the mobile region that is extracted, assigning binary values 1 or 0 to the elements of the mobile region and the opposites, 0 or 1, to the elements that correspond to regions of the image background not occluded by the mobile regions. 6. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por disponer en cada uno de sus canales de registros de las coordenadas mínimas y máximas Xmin, Xmax, Ymin e Ymax de las regiones móviles binarizadas, actualizándose los registros de forma automática en función del valor del bit y con la progresión de las coordenadas de los elementos de la imagen binaria del móvil.6. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 5, characterized in that in each of its channels of registers the minimum and maximum coordinates Xmin, Xmax, Ymin and Ymax of the binarized mobile regions , updating the records automatically based on the value of the bit and with the progression of the coordinates of the elements of the binary image of the mobile. 7. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por tener en cada uno de sus canales una memoria FIFO compuesta por elementos de memoria estática de la misma FPGA o CPLD en la que se configuran los subsistemas de cada canal, siendo la anchura de dichas FIFOs la suficiente para almacenar temporalmente los valores codificados del brillo de los elementos de resolución reducida, a los que se añaden como cabecera o pié los valores binarios correspondientes a la máscara que los identifica como pertenecientes a región móvil o región estática.7. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 6, characterized in that in each of its channels a FIFO memory composed of static memory elements of the same FPGA or CPLD in which they configure the subsystems of each channel, the width of said FIFOs being sufficient to temporarily store the encoded values of the brightness of the reduced resolution elements, to which are added as header or footer the binary values corresponding to the mask that identifies them as belonging to mobile region or static region. 8. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por disponer en cada uno de sus canales de una interfaz de entradas/salidas cuyas funciones son recibir instrucciones de un procesador externo y multiplexar en sus salidas de forma periódica y codificada las señales provenientes de los sensores de imagen de alta resolución, los datos leídos de las FIFOs que contienen los elementos de imágenes de resolución reducida con los bits de máscara y, por último, las coordenadas mínimas y máximas contenidas en los registros cargados al generar las máscaras binarias.8. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 7, characterized by having in each of its channels an interface of inputs / outputs whose functions are to receive instructions from an external processor and multiplex in its outputs periodically and encoded the signals from the high resolution image sensors, the data read from the FIFOs that contain the reduced resolution image elements with the mask bits and, finally, the minimum and maximum coordinates contained in logs loaded when generating binary masks. 9. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por tener un elemento común a sus dos canales provisto de dos FIFOs de longitudes y anchuras reconfigurables, una para cada canal, que permiten recibir datos simultáneamente de ambos canales y transmitirlos en ráfagas alternadas de elevada velocidad a un procesador externo que recibe así todos los datos procedentes de los canales antes de iniciarse un nuevo par de imágenes en los sensores, aplicando una serie de algoritmos para determinar las correspondencias estéreo de dos de los puntos Xmin, Xmax, Ymin e Ymax que, en función de la luz ambiental, presenten mayor contraste por estar más libres de sombras y, con un programa software específico, presentar las medidas de distancias y velocidades derivadas de ello en la forma conveniente al usuario del sistema.9. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 to 8, characterized by having an element common to its two channels provided with two FIFOs of reconfigurable lengths and widths, one for each channel, which allow receiving data simultaneously from both channels and transmit them in high-speed alternating bursts to an external processor that thus receives all the data coming from the channels before starting a new pair of images on the sensors, applying a series of algorithms to determine the stereo correspondences of two of the points Xmin, Xmax, Ymin and Ymax that, depending on the ambient light, present greater contrast because they are more free of shadows and, with a specific software program, present the measures of distances and speeds derived from it in the form convenient to the user of the system. 10. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por disponer de un par de cámaras con lentes del mismo tipo y sensores idénticos reconfigurables, fijadas sobre un soporte rígido preparado para que dichas cámaras o los elementos que las soportan se puedan posicionar o deslizar de forma que la distancia b existente entre ambas cámaras se pueda fijar a voluntad del usuario.10. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1 and 2, characterized by having a pair of cameras with identical lenses and reconfigurable identical sensors, fixed on a rigid support prepared for said cameras or the elements that support them can be positioned or slid so that the distance b between the two cameras can be set at the user's discretion. 11. Sistema para medida de distancias y velocidades por procedimientos electroópticos no radiantes, según las reivindicaciones 1, 2 y 10, caracterizado por su capacidad de ajustar la orientación de las cámaras con elementos mecánicos regulables, para que sus ejes ópticos sean paralelos y estén contenidos en un mismo plano, independientemente de la posición de las cámaras a lo largo del soporte rígido que las mantiene a la distancia b conveniente para medir los rangos de distancias y velocidades deseados.11. System for measuring distances and speeds by non-radiating electro-optical procedures, according to claims 1, 2 and 10, characterized by its ability to adjust the orientation of the cameras with adjustable mechanical elements, so that their optical axes are parallel and contained in the same plane, regardless of the position of the cameras along the rigid support that keeps them at distance b convenient to measure the ranges of distances and desired speeds.
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