RU2248523C1 - Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости - Google Patents

Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости Download PDF

Info

Publication number
RU2248523C1
RU2248523C1 RU2003124034/28A RU2003124034A RU2248523C1 RU 2248523 C1 RU2248523 C1 RU 2248523C1 RU 2003124034/28 A RU2003124034/28 A RU 2003124034/28A RU 2003124034 A RU2003124034 A RU 2003124034A RU 2248523 C1 RU2248523 C1 RU 2248523C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
points
liquid
coordinates
image
vector
Prior art date
Application number
RU2003124034/28A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2003124034A (ru
Inventor
В.И. Капл (RU)
В.И. Капля
С.А. Мальцев (RU)
С.А. Мальцев
В.П. Шевчук (RU)
В.П. Шевчук
Original Assignee
Волгоградский государственный технический университет (ВолГТУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Волгоградский государственный технический университет (ВолГТУ) filed Critical Волгоградский государственный технический университет (ВолГТУ)
Priority to RU2003124034/28A priority Critical patent/RU2248523C1/ru
Publication of RU2003124034A publication Critical patent/RU2003124034A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2248523C1 publication Critical patent/RU2248523C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Image Processing (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Image Analysis (AREA)

Abstract

Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости, включает регистрацию изображения объекта из нескольких позиций, опознавание точек изображения объекта и вычисление пространственных координат точек объекта. Причем на поверхность жидкости помещают три опорных, контрастных точки, расстояние между которыми фиксировано, затем регистрируют изображение опорных точек и объекта через поверхность жидкости, измеряют координаты опорных точек и точек объекта в системе координат изображения, вычисляют внешние параметры ориентирования изображения относительно поверхности жидкости, вычисляют координаты точек объекта в объектной системе координат, на основе уравнений фотограмметрии, которые учитывают влияние преломляющих свойств жидкости. Технический результат - повышение точности измерений за счет учета преломляющих свойств жидкости. 3 табл., 4 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения длины, ширины и толщины посредством определения координат точек, в частности измерения размеров рыб, и может быть использовано в рыбоводстве для бесконтактного мониторинга ремонтно-маточных рыбных стад.
Известны оптический способ и устройство для контроля количества и формы подводных объектов, в частности рыб, основанных на принципах анализа цифровых изображений и стерео зрения (JP 4329496, G 01 B 11/24, 1992). Способ заключается в том, что рыба перекачивается из одного бассейна в другой через измерительную камеру с прозрачными стенками, через которые стереопара цифровых видеокамер регистрирует изображение перемещаемых рыб, которое анализируется блоком обработки и анализа изображений для измерения рыб и подсчета их количества.
Недостатком известного способа и реализующего его устройства являются низкая точность измерений из-за отсутствия учета преломляющих свойств воды, невозможность измерения рыб среднего и крупного размеров в условиях их естественного содержания, возможность травмирования рыбных особей, длительность и большие энергетические затраты процесса перекачивания воды и рыбы.
Известно устройство для контроля количества и формы подводных объектов, в частности рыб, основанное на принципах анализа цифровых изображений (JP 2157604, G 01 B 11/00, 1990). Способ заключается в том, что на одной из стенок бассейна с рыбами устанавливается многоэлементный источник света, а через противоположную стенку регистрируется изображение с помощью видеопреобразователя, которое обрабатывается в блоке анализа координат.
Недостатком известного устройства являются низкая точность измерений из-за отсутствия учета преломляющих свойств воды, громоздкость многоэлементного осветителя.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому результату является способ бесконтактного определения пространственных координат точек объекта, включающий фотографирование объекта из нескольких позиций, опознавание точек изображения объекта на фотографических снимках и вычисление пространственных координат точек объекта, причем на каждом фотографическом снимке измеряют расстояния между опознанными точками и вычисляют пространственные координаты точек объекта (РФ №2173445, G 01 C 11/00, 2001).
Недостатком известного способа является то, что он не обеспечивает требуемой точности измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости, так как он не учитывает преломляющих свойств жидкости, в которую погружен объект. Определение координат точек объекта по опорным точкам, расположенным безотносительно к поверхности жидкости, или использование обычных уравнений фотограмметрии приводит к существенным ошибкам определения координат, если объект полностью или частично погружен в преломляющую жидкость.
Задачей предлагаемого способа является разработка нового способа бесконтактного измерения координат точек объектов, погруженных в жидкость, в частности рыб. Учет преломляющих свойств жидкости должен повысить точность проводимых измерений по сравнению со способами, не учитывающими этого фактора. Измерения проводятся для любого размера рыбных особей в условиях их естественного освещения и содержания в бассейнах рыбоводного комплекса, то есть без перекачивания рыб из одного бассейна в другой. Бесконтактный способ позволяет исключить тяжелые ручные операции в процессе измерения средних и крупных рыбных особей.
Такой способ позволяет получать измерительную информацию для любого уровня воды и для интенсивно перемещающихся рыб.
Технический результат: повышение точности измерений за счет учета преломляющих свойств жидкости.
Поставленная задача решается тем, что предлагается способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости, который включает регистрацию изображения объекта из нескольких позиций, опознавание точек изображения объекта и вычисление пространственных координат точек объекта, причем на поверхность жидкости помещают три опорных контрастных точки, расстояние между которыми фиксировано, затем регистрируют изображение опорных точек и объекта через поверхность жидкости, измеряют координаты опорных точек и точек объекта в системе координат изображения, вычисляют внешние параметры ориентирования изображения относительно поверхности жидкости, вычисляют координаты точек объекта в объектной системе координат, на основе уравнений фотограмметрии, которые учитывают влияние преломляющих свойств жидкости, исходя из формулы:
Figure 00000002
где h - глубина погружения точки F объекта,
Figure 00000003
- вектор нормали к поверхности жидкости,
n - показатель преломления жидкости,
Figure 00000004
- радиус-вектор точки преломления,
Figure 00000005
Figure 00000006
Figure 00000007
(ХF,УF) - координаты точки F в плоскости изображения,
f - фокусное расстояние камеры,
Figure 00000008
- вектор, соединяющий центр проектирования S и точку преломления М,
Figure 00000009
- единичный вектор луча SM,
Figure 00000010
- радиус вектор, соединяющий начало объектной системы координат и центр проекции S,
Figure 00000011
- касательная составляющая единичного вектора падения
Figure 00000012
у поверхности воды,
Аri - вектор, соответствующий i-той строке матрицы А, то есть,
Figure 00000013
Figure 00000014
XS, YS, ZS - линейные элементы внешнего ориентирования,
ψ, θ, γ - угловые элементы внешнего ориентирования,
Figure 00000015
- радиус-вектор точки F объекта.
Сущность способа состоит в том, что расположение опорных точек на поверхности жидкости позволяет определить параметры ориентирования камер относительно ее поверхности, предложенные уравнения фотограмметрии позволяют учесть преломляющие свойства жидкости на основе определенных параметров внешнего ориентирования камер. Учет преломляющих свойств жидкости, обуславливающих смещение на изображении точек, находящихся в жидкости, позволяет устранить методическую ошибку измерений координат этих точек. Предложенный способ устраняет эту методическую ошибку измерений, и это, в свою очередь, повышает точность измерений координат точек объекта, находящегося в жидкости.
На фиг.1 изображена геометрия расчетной модели.
На фиг.2 показан процесс обработки и анализа изображения опорных точек и объектов-рыб.
На фиг.3. отображен процесс измерения рыб в бассейне рыбоводного комплекса.
На фиг.4. приведена одномоментная стереопара изображений бассейна с рыбами и контрастными опорными точками.
Способ осуществляется следующим образом. Помещают три опорных контрастных точки А, В, С (фиг.1) на поверхность жидкости, - расстояние между которыми известно (то есть измерено обычными средствами измерения длины) и жестко зафиксировано. Если уровень жидкости изменяется, то соответственно должно измениться и положение опорных точек А, В, С. В качестве приспособления для таких опорных контрастных точек целесообразно использовать светодиоды, размещенные в вершинах равностороннего треугольника (фиг.2), который должен обладать свойством плавучести. Стороны треугольника изготавливают из жесткого материала, так как они фактически являются эталонами длины на каждом изображении. Поперечное сечение сторон треугольника должно быть минимальным, чтобы они не заслоняли элементы измеряемого объекта. Регистрируют изображения опорных точек и объекта, погруженного в преломляющую среду - для этого камера должна быть ориентирована так, чтобы в поле зрения одновременно попадали и опорные точки А, В, С и измеряемый объект. Центр проектирования S (фиг.1) и изображение точки объекта m, лежащее в плоскости изображения Pk, позволяют построить траекторию падающего луча SM, где М - точка преломления, находящаяся на поверхности жидкости Pw. Преломленный луч MF соединяет точку преломления М и точку измеряемого объекта F, находящуюся в жидкости на глубине h в плоскости Ph. Камера должна быть предварительно откалибрована, то есть должны быть определены: f - фокусное расстояние, координаты главной точки кадра (x0, у0). Начало координат изображения будем считать находящимся в главной точке. Измеряют координаты опорных точек и точек объекта в системах координат изображения - каждая точка на изображении имеет две координаты. Вычисляют внешние параметры ориентирования изображений относительно поверхности преломляющей жидкости. Для этого используют измеренные координаты опорных точек А, В, С на снимке (хi, уi) и в объектной системе координат (Xi, Yi, Zi), где i
Figure 00000016
{1,2,3}. Начало координат объектной системы координат целесообразно поместить в одну из опорных точек, ось абсцисс провести через вторую опорную точку, а вертикальную ось координат Z полагать перпендикулярной, к плоскости, в которой расположены опорные точки, то есть к поверхности жидкости. В таком случае, для решения стоящей задачи будет достаточно информации о расстоянии между опорными точками, а точное положение треугольника с опорными точками будет не нужно. Линейные и угловые элементы внешнего ориентирования XS, YS, ZS, ψ, θ, γ определяются из следующей известной системы уравнений (РФ №2173445, G 01 C 11/00, 2001):
Figure 00000017
Figure 00000018
где Ri=(Xi,Yi,Zi)T - радиус-вектор, соединяющий начало объектной системы координат и i-тую опорную точку,
RS=(XS,YS,ZS)T - радиус-вектор, соединяющий начало объектной системы координат и центр проекции S,
Асi - вектор, соответствующий i-тому столбцу матрицы А, определяющей преобразование системы координат при повороте на углы ψ,θ,γ,
Figure 00000019
то есть А=(Ас1 Ас2 Ас3).
Данная система имеет 6 неизвестных и столько же уравнений, то есть является определенной. Вычисляют координаты точек объекта в объектной системе координат на основе уравнений фотограмметрии, которые учитывают влияние преломляющих свойств жидкости. Искомые координаты точки F измеряемого объекта вычисляют исходя из формулы:
Figure 00000020
где h - глубина погружения точки F объекта,
Figure 00000021
- вектор нормали к поверхности жидкости,
n - показатель преломления жидкости,
Figure 00000022
- радиус-вектор точки преломления,
Figure 00000023
Figure 00000024
Figure 00000025
(хF,уF) - координаты точки F в плоскости изображения,
f - фокусное расстояние камеры,
Figure 00000026
- вектор, соединяющий центр проектирования S и точку преломления М,
Figure 00000027
- единичный вектор луча SM,
Figure 00000028
- радиус-вектор, соединяющий начало объектной системы координат и центр проекции S,
Figure 00000029
- касательная составляющая единичного вектора падения
Figure 00000030
у поверхности воды,
Аri - вектор, соответствующий i-той строке матрицы А, то есть
A=(Ar1 Ar2 Ar3)T
XS, YS, ZS - линейные элементы внешнего ориентирования,
ψ, θ, γ - угловые элементы внешнего ориентирования,
Figure 00000031
- радиус-вектор точки F объекта.
Таким образом, получены искомые координаты точки объекта F, находящейся в жидкости.
Пример.
Проводились измерения длин рыб, находящихся в бассейне рыбоводного комплекса. Для проведения измерений была развернута измерительная система (фиг.3). В состав системы входили: 1 - две цифровые видеокамеры, 2 - контрастные метки на поверхности воды, 3 - ЭВМ для обработки изображений, 4 - передвижной штатив, 5 - бассейн с рыбами.
На поверхность воды помещают три опорных точки, реализованных в виде приспособления. Это приспособление представляет собой три светодиода, размещенных в вершинах треугольника, обладающего плавучестью.
Изображения объекта и опорных точек одномоментно регистрируют двумя цифровыми камерами CVR-PC1-USB-RP. Разрешение камер 640×480 пикселов, фокусное расстояние 50 мм. С помощью специального штатива камеры располагались над центральной частью бассейна. Высота возвышения составляла от 2 до 5 метров, что зависело от размеров бассейна. Полученная стереопара приведена на фиг.4. Фрагмент одного из изображений увеличен и приведен на фиг.2.
Измеряют координаты опорных точек А, В, С и точек объекта D, E, G в системе координат двух цифровых изображений (х1,у1) и (х2,у2). Результаты измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Точка х1 (пиксел) у1 (пиксел) х2(пиксел) у2(пиксел)
А 498 73 259 31
В 451 150 197 106
С 548 152 297 118
D 428 220 196 179
Е 452 215 220 177
G 515 204 287 169
Вычисляют внешние параметры ориентирования изображений относительно поверхности жидкости. Начало объектной системы координат помещено в точку В, ось абсцисс направлена из точки В в точку С. Результаты вычислений:
для первой камеры XS=-578 мм, YS=-1580 мм, ZS=4615 мм, ψ=-1.5°, θ=-0.9°, γ=-13.2°,
для второй камеры XS=813 мм, YS=-1506 мм, ZS=4403 мм, ψ=-7.2°, θ=0.1°, γ=-11.6°.
Вычисляют координаты точек объекта в объектной системе координат, на основе уравнений фотограмметрии, которые учитывают преломляющие свойства воды (n=1.33). Результаты вычислений приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Точка Х (мм) У (мм) Z (мм)
D -58 -218 -854
Е 84 -184 -815
G 456 -110 -817
Длина рыбы определяется как сумма длин звеньев ломаной линии, проведенной по средней продольной линии изображения рыбы. В рассматриваемом примере ломаная линия соединяет точки: D-E-G. Применяются полученные координаты для определения, для измерения длины рыбы, находящейся в естественном состоянии. Длина рыбы в данном случае составила 520 мм. Проверка точности способа проводилась путем сравнения с результатами, полученными прямыми измерениями рыб в процессе их пересадки в соседний бассейн. Результаты измерений приведены в таблице 3.
Таблица 3.
№ рыбы Измерения предлагаемым способом (мм) Измерения линейкой (мм)
1 595 570
2 588 580
3 600 600
4 630 600
5 630 600
6 655 630
7 665 640
8 671 640
9 673 650
10 698 650
11 701 670
12 711 680
13 733 710
14 742 710
15 747 710
16 751 780
17 761 790
18 771 790
19 839 810
20 856 810
  Среднее: 701 Среднее: 681
Если считать, что ошибки измерений подчинены нормальному закону распределения, то статистический анализ экспериментальных данных позволяет утверждать, что доверительной вероятности 0.95 соответствует ошибка измерений не более 37 мм (Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей измерений. - Л.: Энергоатомиздат, 1991, с.143-144).
Проверка способа была осуществлена на рыбоводном комплексе Волжской ГЭС, основу которого составляет 44 бассейна трех типовых размеров, в которых содержится ремонтно-маточное стадо численностью более 5000 особей. Повышение точности измерений и исключение ручных операций измерения размеров рыб за счет внедрения предлагаемого способа позволит более эффективно реализовать технологический цикл выращивания рыб.

Claims (1)

  1. Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости, согласно которому регистрируют изображение объекта из нескольких позиций, опознают точки изображения объекта и вычисляют пространственные координаты точек объекта, отличающийся тем, что на поверхность жидкости помещают три опорные контрастные точки, расстояние между которыми фиксировано, затем регистрируют изображение опорных точек и объекта через поверхность жидкости, измеряют координаты опорных точек и точек объекта в системе координат изображения, вычисляют внешние параметры ориентирования изображения относительно поверхности жидкости, вычисляют координаты точек объекта в объектной системе координат на основе уравнений фотограмметрии, которые учитывают влияние преломляющих свойств жидкости исходя из формулы
    Figure 00000032
    где h - глубина погружения точки F объекта,
    Figure 00000033
    - вектор нормали к поверхности жидкости,
    n - показатель преломления жидкости,
    Figure 00000034
    - радиус вектор точки преломления,
    Figure 00000035
    Figure 00000036
    Figure 00000037
    (хF,yF) - координаты точки F в плоскости изображения,
    f - фокусное расстояние камеры,
    Figure 00000038
    - вектор, соединяющий центр проектирования S и точку преломления М,
    Figure 00000039
    - единичный вектор луча SM,
    Figure 00000040
    - радиус-вектор, соединяющий начало объектной системы координат и центр проекции S,
    Figure 00000041
    - касательная составляющая единичного вектора падения
    Figure 00000042
    у поверхности воды,
    Аri - вектор, соответствующий i-й строке матрицы А, то есть
    A=(Ar1 Ar2 Ar3)T,
    Figure 00000043
    XS, YS, ZS - линейные элементы внешнего ориентирования,
    ψ, θ, γ - угловые элементы внешнего ориентирования,
    Figure 00000044
    - радиус-вектор точки F объекта.
RU2003124034/28A 2003-07-30 2003-07-30 Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости RU2248523C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003124034/28A RU2248523C1 (ru) 2003-07-30 2003-07-30 Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003124034/28A RU2248523C1 (ru) 2003-07-30 2003-07-30 Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2003124034A RU2003124034A (ru) 2005-01-27
RU2248523C1 true RU2248523C1 (ru) 2005-03-20

Family

ID=35138804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003124034/28A RU2248523C1 (ru) 2003-07-30 2003-07-30 Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2248523C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2752687C1 (ru) * 2021-01-06 2021-07-29 Дмитрий Александрович Рощин Способ определения дальности с помощью цифровой видеокамеры и трех источников света

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2752687C1 (ru) * 2021-01-06 2021-07-29 Дмитрий Александрович Рощин Способ определения дальности с помощью цифровой видеокамеры и трех источников света

Also Published As

Publication number Publication date
RU2003124034A (ru) 2005-01-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7853046B2 (en) Imaging system and method for body condition evaluation
Shortis et al. Design and calibration of an underwater stereo-video system for the monitoring of marine fauna populations
CN108332708B (zh) 激光水平仪自动检测系统及检测方法
CN113137920B (zh) 一种水下测量的设备与水下测量方法
CN109169465B (zh) 智能化测定水下活体对虾生长参数的系统和方法
CN104776977A (zh) 一种海岸工程泥沙物理模型试验底床动态综合观测方法
KR102530717B1 (ko) 화상 처리 방법, 프로그램 및 기록 매체
Spinewine et al. Laser stripe measurements of near-wall solid fraction in channel flows of liquid-granular mixtures
CN111612846A (zh) 基于U-net CNN图像识别和像素标定的混凝土裂缝宽度测定方法
Capra et al. 3D reconstruction of an underwater archaelogical site: Comparison between low cost cameras
CN101576372A (zh) 手术器械使用部位尺寸自动检测装置及其检测方法
CN116087036B (zh) 一种深海采矿沉积物羽流图像识别的装置及图像分析方法
CN106097343B (zh) 光场成像设备轴向分辨率测定装置与方法
RU2248523C1 (ru) Способ бесконтактного измерения координат точек объектов, находящихся в жидкости
Bräger et al. An application of close range photogrammetry in dolphin studies
TWI590196B (zh) 液面監測方法
CN210720179U (zh) 复检相机对焦测距装置和玻璃复检设备
CN208187381U (zh) 激光水平仪自动检测系统
CN108871211B (zh) 一种圆管内气液两相环状流液膜厚度的测量及修正方法
CN115096768A (zh) 可同时测量颗粒粒径与体积浓度的背光成像系统和方法
CN105931250B (zh) 一种非球形气泡的等效粒径转换方法
CN113252603B (zh) 一种多层透明球床的最优折射率测量方法
CN112782120B (zh) 一种具有凸弧面的透明固体折射率的测量方法及装置
CN113822104B (zh) 基于多候选虚拟标尺的人工智能水面检测系统
CN110686871B (zh) 一种自聚焦透镜的数值孔径测量装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20080731