RU2420774C2 - Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method - Google Patents

Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method Download PDF

Info

Publication number
RU2420774C2
RU2420774C2 RU2009103683/28A RU2009103683A RU2420774C2 RU 2420774 C2 RU2420774 C2 RU 2420774C2 RU 2009103683/28 A RU2009103683/28 A RU 2009103683/28A RU 2009103683 A RU2009103683 A RU 2009103683A RU 2420774 C2 RU2420774 C2 RU 2420774C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
image
panoramic
plane
photodetector
space
Prior art date
Application number
RU2009103683/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009103683A (en
Inventor
Владимир Аминович Подгорнов (RU)
Владимир Аминович Подгорнов
Семен Владимирович Подгорнов (RU)
Семен Владимирович Подгорнов
Александр Николаевич Щербина (RU)
Александр Николаевич Щербина
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ - ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина")
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 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ - ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ - ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина")
Priority to RU2009103683/28A priority Critical patent/RU2420774C2/en
Publication of RU2009103683A publication Critical patent/RU2009103683A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2420774C2 publication Critical patent/RU2420774C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Stereoscopic And Panoramic Photography (AREA)
  • Studio Devices (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method involves two-aspect reflection from a convex light-reflecting surface which directs light to an optical system for transferring an image to the plane of a multi-element photodetector, recording the image and determining coordinates of the object. Two spaced-apart panoramic images with the object, from which the distance to the object is determined, are obtained on the plane of the photodetector. The panoramic apparatus has a convex mirror with a light-reflecting surface which captures an all-round view of the monitored space in a given solid angle and formed by two bodies of rotation running into one another, an optical transfer system, a multi-element photodetector and a device for recording and processing the obtained image. The bodies of rotation have a common axis of rotation which coincides with the principal optical axis of the objective lens of the optical image transfer system. Geometric parametres of the bodies of rotation facilitate display of two different-aspect panoramic images on the plane of the photodetector.
EFFECT: high accuracy of determining distance to an object while maintaining the possibility of viewing the object in a wide solid angle.
3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к панорамным оптическим средствам обнаружения объектов в окружающем пространстве в заданном телесном угле.The invention relates to panoramic optical means for detecting objects in the surrounding space in a given solid angle.

Известны способы, обеспечивающие формирование изображения с большим полем зрения с тем, чтобы можно было получить как можно больше информации об изменениях, происходящих вокруг. В частности, это касается необходимости распознавания появляющихся объектов с одновременным определением расстояния до них.Known methods for providing image formation with a large field of view so that you can get as much information as possible about the changes occurring around. In particular, this concerns the need for recognition of emerging objects with simultaneous determination of the distance to them.

Для этой цели можно использовать видеокамеру с широкоугольным объективом, например FISH EYE (объектив «рыбий глаз»), но и она имеет недостаточное поле зрения.For this purpose, you can use a camcorder with a wide-angle lens, for example FISH EYE (fisheye lens), but it also has an insufficient field of view.

Известен способ формирования панорамного изображения, предложенный компанией Apple Computer, с использованием обычной 35-мм камеры и программы QuickTime.RTM.VR (QTVR). В соответствии с этим способом камеру, оборудованную широкоугольным объективом (фокусное расстояние составляет 15-18 мм), устанавливают на вращаемый вокруг вертикальной оси штатив и последовательно регистрируют 12 или более снимков через каждые 30 градусов, охватывая, таким образом, круговой обзор. Затем снимки «сшиваются» с помощью специальной программы, формируя панорамное изображение. Однако данный процесс не обеспечивает единовременного режима наблюдения за объектом, т.к. каждый снимок делается в различное время. Кроме того, наличие механического движения камеры также является определенным недостатком.A known method of forming a panoramic image, proposed by Apple Computer, using a conventional 35 mm camera and QuickTime.RTM.VR (QTVR). In accordance with this method, a camera equipped with a wide-angle lens (focal length is 15-18 mm) is mounted on a tripod rotated around the vertical axis and 12 or more pictures are sequentially recorded every 30 degrees, thus covering a circular view. Then the pictures are “stitched” using a special program, forming a panoramic image. However, this process does not provide a one-time observation mode for the object, because Each shot is taken at a different time. In addition, the presence of mechanical camera movement is also a definite disadvantage.

Известен также способ формирования панорамного изображения, в соответствии с которым используют множество плоских отражающих поверхностей совместно с множеством видеокамер, обращенных к ним, причем каждая камера рассматривает чуть больше 90 градусов 50-градусного телесного угла визуализируемого пространства (см. статью V.S. Nalwa "A True Omni-Directional Viewer", AT&T Bell Laboratories Technical Memorandum, BL0115500-960115-01, Jan. 1996, а также европейские патентные заявки №№0982946, 1056292, заявитель: LUCENT TECHNOLOGIES INC., изобретатель V.S. Nalwa, МПК G02B 27/14, G03B 37/00).There is also known a method of forming a panoramic image, in accordance with which they use a lot of flat reflective surfaces in conjunction with many cameras facing them, and each camera considers a little more than 90 degrees of the 50-degree solid angle of the visualized space (see article VS Nalwa "A True Omni -Directional Viewer ", AT&T Bell Laboratories Technical Memorandum, BL0115500-960115-01, Jan. 1996, as well as European Patent Applications No. 09982946, 1056292, Applicant: LUCENT TECHNOLOGIES INC., Inventor VS Nalwa, IPC G02B 27/14, G03B 37/00).

Недостаток способа в необходимости иметь множество воспринимающих датчиков, чтобы одновременно охватить 360-градусное изображение окружающего пространства.The disadvantage of this method is the need to have many sensing sensors in order to simultaneously capture a 360-degree image of the surrounding space.

Известны также способы формирования панорамного изображения окружающего пространства на поверхности единого фотоприемного устройства, воспринимающего через оптическую систему переноса изображения свет, отраженный от зеркальной поверхности, имеющей форму тела вращения. При этом тело вращения может иметь различные формы. В частности, это может быть конус или сфера (см., например, международную заявку WO 2001/044870, приоритет от 14.12.2000, заявитель UNIVERSITE DE MONTREAL, МПК G03B 37/00, 37/04).There are also known methods of forming a panoramic image of the surrounding space on the surface of a single photodetector, which receives light reflected from a mirror surface in the form of a body of revolution through an optical image transfer system. In this case, the body of revolution can have various shapes. In particular, it can be a cone or a sphere (see, for example, international application WO 2001/044870, priority date 12/14/2000, applicant UNIVERSITE DE MONTREAL, IPC G03B 37/00, 37/04).

Подобный способ, описанный в патенте США №6542184, приоритет от 08.03.2000, МПК G02B 13/06, G03B 37/00, Driscoll Jr. et al., может быть, в числе прочего, использован для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве на зарегистрированном панорамном изображении. Этот способ и выбран прототипом заявляемого способа.A similar method described in US patent No. 6542184, priority from 08.03.2000, IPC G02B 13/06, G03B 37/00, Driscoll Jr. et al., can be, inter alia, used to determine the location of an object in the surrounding space in a recorded panoramic image. This method is selected and the prototype of the proposed method.

Сущность известного способа заключается в формировании на светочувствительной поверхности плоского многоэлементного фотоприемника панорамного изображения наблюдаемого участка окружающего пространства с помощью имеющей форму тела вращения выпуклой светоотражающей поверхности, направляющей отраженный от нее свет из окружающего пространства к оптической системе переноса наблюдаемого участка окружающего пространства на светочувствительную поверхность фотоприемника, в регистрации сформированного изображения и в определении координат интересующего объекта в окружающем пространстве.The essence of the known method consists in forming on the photosensitive surface of a flat multi-element photodetector a panoramic image of the observed portion of the surrounding space using a convex reflective surface shaped like a body of revolution, directing light reflected from it from the surrounding space to the optical system for transferring the observed portion of the surrounding space to the photosensitive surface of the photodetector, in registration of the generated image and in the definition of dinat of the object of interest in the surrounding space.

Недостаток способа заключается в низкой точности определения расстояния до объекта, если его размеры заранее не известны, так как в данном случае невозможно точно сопоставить удаленность объекта с его размерами на изображении.The disadvantage of this method is the low accuracy of determining the distance to the object, if its dimensions are not known in advance, since in this case it is impossible to accurately compare the remoteness of the object with its dimensions in the image.

Задача заключается в создании способа, устраняющего указанный недостаток с сохранением возможности наблюдения объекта в окружающем пространстве в широком телесном угле.The task is to create a method that eliminates this drawback while maintaining the ability to observe the object in the surrounding space in a wide solid angle.

Поставленная задача решается следующим образом.The problem is solved as follows.

В известном способе, заключающемся в формировании на плоскости многоэлементного фотоприемника панорамного изображения наблюдаемого участка пространства с помощью имеющей форму тела вращения выпуклой светоотражающей поверхности, направляющей отраженный от нее рассеянный свет к оптической системе переноса изображения наблюдаемого участка пространства на плоскость фотоприемника, в регистрации сформированного изображения и в определении координат интересующего объекта, согласно изобретению формируют двухракурсное отражение от светоотражающей поверхности, при этом на плоскости многоэлементного фотоприемника одновременно получают два разнесенных панорамных изображения, каждое из которых содержит наблюдаемый под заданным ракурсом образ участка окружающего пространства с находящимся в нем интересующим объектом, а расстояние до указанного объекта определяют по взаимному расположению двух его образов на одновременно зарегистрированной паре разнесенных панорамных изображений.In the known method, which consists in forming on the plane of a multi-element photodetector a panoramic image of the observed area of space using a convex reflective surface having the shape of a body of revolution directing the scattered light reflected from it to the optical system for transferring the image of the observed area of space to the photodetector plane, in registering the formed image and in determining the coordinates of the object of interest, according to the invention form a two-way reflection from the a reflective surface, while on the plane of a multi-element photodetector, two spaced panoramic images are simultaneously obtained, each of which contains an image of a portion of the surrounding space observed with a given angle with the object of interest in it, and the distance to the specified object is determined by the relative position of its two images on the simultaneously recorded a couple of spaced panoramic images.

Технический результат заключается в получении на плоскости многоэлементного фотоприемника своеобразной, одновременно регистрируемой, панорамной стереопары вследствие формирования двухракурсного отражения, что позволяет оценивать с большей точностью расстояние до интересующего объекта с заранее неизвестными размерами, анализируя взаимное расположение образов интересующего объекта на зарегистрированной панорамной стереопаре, используя при этом известный математический аппарат.The technical result consists in obtaining on the plane of a multi-element photodetector a unique, simultaneously recorded, panoramic stereo pair due to the formation of a two-way reflection, which allows us to estimate with greater accuracy the distance to the object of interest with previously unknown sizes, analyzing the relative position of the images of the object of interest on the registered panoramic stereo pair, using famous mathematical apparatus.

В качестве прототипа панорамной аппаратуры для определения местонахождения объекта выбрана аппаратура, реализующая описанный выше способ, содержащая выпуклое зеркало со светоотражающей поверхностью, образованной телом вращения и охватывающей круговой обзор контролируемого пространства в заданном телесном угле, многоэлементный фотоприемник, оптическую систему переноса отраженного от зеркала панорамного изображения на плоскость многоэлементного фотоприемника, причем ось тела вращения совмещена с главной оптической осью объектива оптической системы переноса изображения, а также устройство регистрации и обработки полученного изображения (см. вышеуказанный патент США №6542184). Данное устройство предназначено для наблюдения за окружающей обстановкой в любом направлении обзора, охватывающего 360 градусов, в режиме реального времени с возможностью одномоментной регистрации происходящего вокруг. При этом используется единственная стационарно ориентированная относительно выпуклого зеркала видеокамера, в плоскости многоэлементного фотоприемника которой формируется круговое панорамное изображение.As a prototype of panoramic equipment for determining the location of an object, equipment was selected that implements the method described above, containing a convex mirror with a reflective surface formed by a body of revolution and covering a circular view of the controlled space in a given solid angle, a multi-element photodetector, an optical system for transferring a panoramic image reflected from a mirror onto the plane of the multi-element photodetector, the axis of the body of rotation being aligned with the main optical axis of the lens optical image transfer system as well as a recording device and image processing obtained (see. the above-mentioned US patent №6542184). This device is designed to monitor the environment in any direction of the review, covering 360 degrees, in real time with the ability to simultaneously register what is happening around. In this case, a single video camera is used, which is stationary and oriented relatively to the convex mirror, in the plane of the multi-element photodetector of which a circular panoramic image is formed.

Однако данное устройство не обеспечивает возможности точного определения координат незнакомого объекта, появившегося в поле зрения наблюдаемого пространства.However, this device does not provide the ability to accurately determine the coordinates of an unfamiliar object that appears in the field of view of the observed space.

Задача заключается в создании устройства, обеспечивающего повышение точности определения координат интересующего объекта. Поставленная задача решается тем, что в панорамной аппаратуре, содержащей выпуклое зеркало со светоотражающей поверхностью, образованной телом вращения и охватывающей круговой обзор контролируемого пространства в заданном телесном угле, многоэлементный фотоприемник, оптическую систему переноса отраженного от зеркала панорамного изображения на плоскость многоэлементного фотоприемника, причем ось тела вращения совмещена с главной оптической осью объектива оптической системы переноса изображения, а также устройство регистрации и обработки полученного изображения, согласно изобретению светоотражающая поверхность выпуклого зеркала образована двумя телами вращения с общей осью вращения, переходящими одно в другое, геометрические параметры которых обеспечивают отображение на плоскости фотоприемника двух разноракурсных панорамных изображений наблюдаемого участка пространства.The task is to create a device that provides increased accuracy in determining the coordinates of the object of interest. The problem is solved in that in a panoramic equipment containing a convex mirror with a reflective surface formed by a body of revolution and covering a circular view of the controlled space in a given solid angle, a multi-element photodetector, an optical system for transferring a panoramic image reflected from the mirror onto the plane of a multi-element photodetector, and the body axis rotation is combined with the main optical axis of the lens of the optical image transfer system, as well as a recording device and rabotki obtained image according to the invention a convex surface reflective mirror is formed by two bodies of revolution with a common axis of rotation, which become one another, which provides the geometric parameters of the mapping on a plane photodetector two unified point panoramic image of the observation portion of the space.

Благодаря такому выполнению устройства становится возможной реализация вышеописанного способа за счет появления стереопары изображений окружающего пространства, в том числе с интересующим объектом, по которой выявляется взаимное расположение двух образов одного и того же объекта, снятых под разными ракурсами, используемое в математических выражениях для определения координат тела в пространстве относительно заданной точки наблюдения.Thanks to this embodiment of the device, it becomes possible to implement the above method due to the appearance of a stereo pair of images of the surrounding space, including with the object of interest, which reveals the relative position of two images of the same object, taken from different angles, used in mathematical expressions to determine the coordinates of the body in space relative to a given observation point.

Варианты выполнения светоотражающей поверхности могут быть различными.Embodiments of the reflective surface may be different.

Светоотражающая поверхность выпуклого зеркала может быть образована двумя коническими поверхностями с разными углами при вершинах, при этом обе конические поверхности обращены своими вершинами к входной апертуре оптической системы переноса изображения, и вершина конуса с меньшим углом при вершине смещена ближе к входной апертуре оптической системы переноса изображения, чем вторая.The reflective surface of a convex mirror can be formed by two conical surfaces with different angles at the vertices, while both conical surfaces face their vertices to the input aperture of the optical image transfer system, and the vertex of the cone with a smaller angle at the vertex is shifted closer to the input aperture of the optical image transfer system, than the second.

В другом варианте светоотражающая поверхность выпуклого зеркала может быть образована двумя сферическими поверхностями с разными радиусами, при этом сферическая поверхность с меньшим радиусом смещена ближе, чем другая, по отношению к входной апертуре оптической системы переноса изображения.In another embodiment, the reflective surface of the convex mirror can be formed by two spherical surfaces with different radii, while a spherical surface with a smaller radius is shifted closer than the other with respect to the input aperture of the optical image transfer system.

В третьем варианте светоотражающая поверхность выпуклого зеркала может быть образована двумя эллиптическими поверхностями с разной кривизной, при этом сферическая поверхность с меньшей кривизной смещена ближе, чем другая, по отношению к входной апертуре оптической системы переноса изображения.In the third embodiment, the reflective surface of the convex mirror can be formed by two elliptical surfaces with different curvatures, while a spherical surface with less curvature is shifted closer than the other with respect to the input aperture of the optical image transfer system.

В четвертом варианте светоотражающая поверхность зеркала образована двумя параболическими поверхностями с разной кривизной, при этом обе параболические поверхности обращены своими вершинами к входной апертуре оптической системы переноса изображения, и параболическая поверхность с меньшей кривизной смещена ближе, чем вторая, к входной апертуре оптической системы переноса изображения.In the fourth embodiment, the reflective surface of the mirror is formed by two parabolic surfaces with different curvatures, while both parabolic surfaces face their vertexes to the input aperture of the optical image transfer system, and the parabolic surface with less curvature is shifted closer than the second to the input aperture of the optical image transfer system.

Выбор того или иного варианта зависит от требуемого телесного угла обзора окружающего пространства, при этом чем больше кривизна выпуклого зеркала, тем больше угол обзора.The choice of one or another option depends on the required solid angle of view of the surrounding space, while the greater the curvature of the convex mirror, the larger the viewing angle.

Кроме того, выпуклое зеркало со светоотражающей поверхностью может быть выполнено составным из двух отдельных деталей, каждая из которых содержит светоотражающую поверхность в форме тела вращения, при этом детали закреплены относительно друг друга с условием совмещения их осей вращения с главной оптической осью объектива оптической системы переноса изображения.In addition, a convex mirror with a reflective surface can be made up of two separate parts, each of which contains a reflective surface in the form of a body of revolution, while the parts are fixed relative to each other with the condition that their rotation axes are aligned with the main optical axis of the lens of the optical image transfer system .

В некоторых случаях это может оказаться более технологичным.In some cases, this may turn out to be more technological.

Кроме того, аппаратура содержит узел направленной подсветки, состоящий, по крайней мере, из одного источника света и, по крайней мере, из одного щелевого коллиматора с плоскостью щели, перпендикулярной главной оптической оси объектива оптической системы переноса изображения.In addition, the apparatus includes a directional illumination unit, consisting of at least one light source and at least one slotted collimator with a slit plane perpendicular to the main optical axis of the lens of the optical image transfer system.

Благодаря этому обеспечивается определение расстояния до крупногабаритного равномерно окрашенного объекта, например стены, вследствие формирования светового реперного пятна или полосы на интересующем объекте.This ensures the determination of the distance to a large uniformly colored object, such as a wall, due to the formation of a light reference spot or strip on the object of interest.

На фиг.1 схематически показан принцип формирования панорамной стереопары заявляемым способом, а на фиг.2 соответствующее изображение, сформированное на плоскости многоэлементного фотоприемника. На фиг.3, 4, 5 схематически изображены варианты исполнения панорамной аппаратуры для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве, реализующие способ, в которых для образования выпуклых светоотражающих поверхностей используются конусы (фиг.3), сферы (фиг.4), эллипсы (фиг.5). На фиг.6 показан один из вариантов исполнения выпуклого зеркала, состоящего из двух отдельных деталей, закрепленных на одной оправке.Figure 1 schematically shows the principle of forming a panoramic stereo pair of the claimed method, and figure 2 the corresponding image formed on the plane of a multi-element photodetector. Figures 3, 4, 5 schematically depict embodiments of panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space, implementing a method in which cones are used to form convex reflective surfaces (Fig. 3), spheres (Fig. 4), ellipses (Fig. .5). Figure 6 shows one embodiment of a convex mirror consisting of two separate parts mounted on one mandrel.

Способ реализуется следующим образом.The method is implemented as follows.

Сначала на плоскости многоэлементного фотоприемника формируют панорамную стереопару. Свет (лучи ОА1 и OB1) из окружающего пространства поступает на выпуклую светоотражающую поверхность, имеющую форму тела вращения, и отражается от двух ее участков H1 и Н2 под двумя различными ракурсами (фиг.1). Свет (лучи A1O1 и B1O1), отраженный от H1 и Н2, проходя через систему переноса изображения наблюдаемого участка пространства, формирует на плоскости Н3 многоэлементного фотоприемника два изображения (точки А2 и В2) одного и того же участка пространства (точки О), наблюдаемого под разными ракурсами. После чего панорамную стереопару, сформированную таким образом на плоскости фотоприемника, регистрируют. Как показано на фиг.2, первому панорамному изображению из состава стереопары соответствует область зарегистрированного изображения, ограниченная кругом радиусом R1 с центром в точке О2, являющейся точкой пересечения оси Y - главной оптической оси (г.о.о.) системы переноса изображения - с плоскостью Н3 (фиг.1); а второму панорамному изображению - кольцевая область с центром в точке О2, ограниченная внутренним радиусом R1 и внешним радиусом R2.First, a panoramic stereo pair is formed on the plane of the multi-element photodetector. Light (rays OA 1 and OB 1 ) from the surrounding space enters a convex reflective surface having the shape of a body of revolution, and is reflected from its two sections H 1 and H 2 under two different angles (figure 1). The light (rays A 1 O 1 and B 1 O 1 ) reflected from H 1 and H 2 , passing through the image transfer system of the observed part of space, forms two images (points A 2 and B 2 ) of one and one on the plane H 3 of the multi-element photodetector the same piece of space (point O), observed from different angles. After that, the panoramic stereo pair, thus formed on the plane of the photodetector, is recorded. As shown in figure 2, the first panoramic image from the composition of the stereo pair corresponds to the region of the registered image, bounded by a circle of radius R 1 centered at point O 2 , which is the intersection point of the Y axis - the main optical axis (g.o.) of the image transfer system - with a plane H 3 (figure 1); and the second panoramic image is an annular region centered at the point O 2 limited by the inner radius R 1 and the outer radius R 2 .

Конфигурацию и расположение поверхностей H1 и Н2 выбирают таким образом, чтобы лучи (OA1 и OB1), исходящие из одной точки объекта (точки О) и падающие на выпуклое зеркало, отражались от него и проходили через одну точку, например центр (точку O1) входной линзы оптической системы переноса изображения наблюдаемого участка пространства, на плоскость многоэлементного фотоприемника. Форма светоотражающих поверхностей H1 и Н2 в зависимости от требуемого угла обзора окружающего пространства Θ может быть, например, конической, сферической, эллиптической или параболической. При этом чем больше кривизна светоотражающих поверхностей, тем больше угол обзора Θ. Максимальная дальность измерения расстояния до объекта также определяется конфигурацией и расположением поверхностей H1 и Н2, и в частности стереоскопическим базисом (отрезком а). Чем больше базис, тем больше максимальная дальность измерения расстояния до объекта.The configuration and location of the surfaces H 1 and H 2 are chosen so that the rays (OA 1 and OB 1 ) emanating from one point of the object (point O) and incident on a convex mirror are reflected from it and passed through one point, for example, the center ( point O 1 ) of the input lens of the optical system for transferring the image of the observed portion of space onto the plane of the multi-element photodetector. The shape of the reflective surfaces H 1 and H 2 depending on the desired viewing angle of the surrounding space Θ can be, for example, conical, spherical, elliptical or parabolic. Moreover, the greater the curvature of the reflective surfaces, the greater the viewing angle Θ. The maximum range of measuring the distance to the object is also determined by the configuration and location of the surfaces H 1 and H 2 , and in particular by a stereoscopic basis (segment a). The larger the basis, the greater the maximum range for measuring the distance to the object.

Далее, чтобы определить координаты интересующего объекта (точки О) поступают следующим образом.Further, in order to determine the coordinates of the object of interest (points O), proceed as follows.

На зарегистрированном изображении (фиг.2) определяют координаты точек (А2(φ,r1) и В2(φ,r2)), соответствующих двум образам интересующего объекта, снятым под разными ракурсами.On the registered image (figure 2) determine the coordinates of the points (A 2 (φ, r 1 ) and B 2 (φ, r 2 )) corresponding to two images of the object of interest, taken from different angles.

Вычисляют углы α и β между осью X1, параллельной плоскости Н3 и направленной в сторону интересующего объекта (точки О), и лучами, отраженными от поверхностей H1 и Н2 соответственно (фиг.1). Данные углы вычисляют исходя из найденных координат (φ,r1,r2) и известных характеристик оптической системы переноса изображения (фокусного расстояния f).The angles α and β are calculated between the X 1 axis parallel to the H 3 plane and directed toward the object of interest (point O) and the rays reflected from the surfaces H 1 and H 2, respectively (FIG. 1). These angles are calculated based on the found coordinates (φ, r 1 , r 2 ) and the known characteristics of the optical image transfer system (focal length f).

Определяют координаты точек (А1 и B1) отражения (падения) лучей от поверхностей H1 и Н2, формирующих на плоскости Н3 соответствующие разноракурсные образы интересующего объекта. Данные координаты точек (A1(XA1,YA1) и B1(XB1,YB1)) отражения (падения) лучей в системе O1X1Y определяются как решение следующих двух систем уравнений:The coordinates of the points (A 1 and B 1 ) of the reflection (incidence) of the rays from the surfaces H 1 and H 2 are determined, forming on the plane H 3 the corresponding different-angle images of the object of interest. These coordinates of the points (A 1 (X A1 , Y A1 ) and B 1 (X B1 , Y B1 )) of the reflection (incidence) of the rays in the O 1 X 1 Y system are determined as the solution of the following two systems of equations:

Figure 00000001
Figure 00000001

где F1(x,y) - известное уравнение в неявном виде кривой, являющейся сечением отражающей поверхности H1 плоскостью O1X1Y; F2(x,y) - известное уравнение в неявном виде кривой, являющейся сечением отражающей поверхности Н2 плоскостью O1X1Y. Для отражающих поверхностей конической формы соответствующие уравнения F1(x,y)=0, F2(x,y)=0 являются уравнениями прямых в неявном виде, для сферической формы - уравнениями дуг окружностей, для эллиптической - дуг эллипсов, для параболической - дуг парабол.where F 1 (x, y) is a known equation in an implicit form of the curve, which is a section of the reflecting surface H 1 plane O 1 X 1 Y; F 2 (x, y) is a well-known equation in an implicit curve that is a section of the reflecting surface H 2 by the plane O 1 X 1 Y. For reflecting surfaces of conical shape, the corresponding equations are F 1 (x, y) = 0, F 2 (x, y) = 0 are the equations of the lines in an implicit form, for the spherical form - the equations of arcs of circles, for the elliptic - the arcs of ellipses, for the parabolic - the arcs of parabolas.

Вычисляют угол λ1 - угол между лучом A1O и вектором O1X1, и угол λ2 - угол между лучом B1O и вектором О1Х1, по следующим формулам, полученным на основе известных представлений геометрической оптики.The angle λ 1 , the angle between the beam A 1 O and the vector O 1 X 1 , is calculated, and the angle λ 2 , the angle between the beam B 1 O and the vector O 1 X 1 , according to the following formulas obtained on the basis of well-known representations of geometric optics.

Figure 00000002
Figure 00000002

где

Figure 00000003
,
Figure 00000004
- значения частных производных по X и по Y функции F1(x,y) в точке A1(XA1,YA1) соответственно;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- значения частных производных по X и по Y функции F2(x,y) в точке B1(XB1,YB1) соответственно.Where
Figure 00000003
,
Figure 00000004
- the values of the partial derivatives with respect to X and Y of the function F 1 (x, y) at the point A 1 (X A1 , Y A1 ), respectively;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- the values of the partial derivatives with respect to X and Y of the function F 2 (x, y) at the point B 1 (X B1 , Y B1 ), respectively.

Находят координаты интересующего объекта (т. O(XO,YO)) в системе O1X1Y из решения уравнения:Find the coordinates of the object of interest (i.e. O (X O , Y O )) in the system O 1 X 1 Y from the solution of the equation:

Figure 00000007
Figure 00000007

Таким образом, положение объекта (точки О) в пространстве полностью детерминируют найденный угол φ и координаты (т. O(XO,YO)) в системе O1X1Y.Thus, the position of the object (point O) in space completely determines the found angle φ and coordinates (i.e. O (X O , Y O )) in the system O 1 X 1 Y.

Панорамная аппаратура для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве, реализующая способ, в общем виде содержит выпуклое зеркало 1, оптическую систему 2 переноса изображения, многоэлементный фотоприемник 3, блок 4 математической обработки зарегистрированного изображения, см. фиг.3, 4, 5.Panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space, which implements the method, generally comprises a convex mirror 1, an optical image transfer system 2, a multi-element photodetector 3, a mathematical image processing unit 4 of the registered image, see Figs. 3, 4, 5.

В устройстве, приведенном на фиг.3, выпуклое зеркало 1 образовано первой конической светоотражающей поверхностью (H1) с углом при вершине δ и второй конической светоотражающей поверхностью (Н2) с углом при вершине ε. Центральные оси конических поверхностей совпадают с главной оптической осью (г.о.о.) системы 2. Первая коническая поверхность переходит во вторую коническую поверхность, при этом в центральном сечении образующая поверхности выпуклого зеркала представляет собой ломаную линию.In the device shown in FIG. 3, the convex mirror 1 is formed by a first conical reflective surface (H 1 ) with an angle at the apex δ and a second conical reflective surface (H 2 ) with an angle at the apex ε. The central axes of the conical surfaces coincide with the main optical axis (g.o.) of the system 2. The first conical surface passes into the second conical surface, while in the central section the generatrix of the surface of the convex mirror is a broken line.

В устройстве, приведенном на фиг.4, выпуклое зеркало 1 образовано двумя пересекающимися светоотражающими сферическими поверхностями. Первая сферическая поверхность (H1) с радиусом

Figure 00000008
переходит во вторую сферическую поверхность (Н2) с большим радиусом
Figure 00000009
. Геометрические центры сфер находятся на главной оптической оси системы 2.In the device shown in figure 4, the convex mirror 1 is formed by two intersecting reflective spherical surfaces. First spherical surface (H 1 ) with radius
Figure 00000008
passes into the second spherical surface (H 2 ) with a large radius
Figure 00000009
. The geometric centers of the spheres are located on the main optical axis of system 2.

В устройстве, приведенном на фиг.5, показано выпуклое зеркало 1, образованное двумя пересекающимися светоотражающими эллиптическими поверхностями. Первая меньшая эллиптическая поверхность (H1) переходит во вторую большую эллиптическую поверхность (Н2). При этом одна из двух полуосей каждой эллиптической поверхности совпадает с главной оптической осью системы 2.In the device shown in Fig. 5, a convex mirror 1 is shown formed by two intersecting reflective elliptical surfaces. The first smaller elliptical surface (H 1 ) passes into the second larger elliptical surface (H 2 ). In this case, one of the two semi-axes of each elliptical surface coincides with the main optical axis of system 2.

Для обеспечения большей технологичности выпуклое зеркало 1 может быть выполнено составным, см. фиг.6. При этом зеркало 1 состоит из двух отдельных деталей, каждая из которых содержит светоотражающую поверхность в форме тела вращения, при этом детали закреплены относительно друг друга на оправке 7 с условием совмещения их осей вращения с главной оптической осью объектива оптической системы 2.To ensure greater adaptability, the convex mirror 1 can be made composite, see Fig.6. In this case, the mirror 1 consists of two separate parts, each of which contains a reflective surface in the form of a body of revolution, while the parts are fixed relative to each other on the mandrel 7 with the condition of combining their axis of rotation with the main optical axis of the lens of the optical system 2.

Оптическая система 2 переноса изображения наблюдаемого участка пространства на плоскость фотоприемника 3 может быть выполнена в виде линзового объектива. В качестве фотоприемника 3 может использоваться многоэлементный прибор с зарядовой связью (ПЗС матрица) или многоэлементный комплементарный металлооксидный полупроводник (КМОП матрица).The optical system 2 for transferring the image of the observed portion of space onto the plane of the photodetector 3 can be made in the form of a lens objective. As the photodetector 3, a multi-element charge-coupled device (CCD array) or a multi-element complementary metal oxide semiconductor (CMOS matrix) can be used.

Конфигурация выпуклого зеркала 1 и оптической системы 2 подобрана таким образом, чтобы весь падающий (в заданном телесном угле Θ с круговым охватом 360 градусов) на выпуклое зеркало 1 свет из окружающего пространства отражался от выпуклого зеркала 1 и проходил через одну точку, например центр входной линзы объектива оптической системы 2. При этом формируемое выпуклым зеркалом 1 и оптической системой 2 панорамное стереоскопическое изображение полностью отображается в плоскости многоэлементного фотоприемника 3.The configuration of the convex mirror 1 and the optical system 2 is selected so that all the incident light (in a given solid angle Θ with a circular coverage of 360 degrees) on the convex mirror 1, the light from the surrounding space is reflected from the convex mirror 1 and passes through one point, for example, the center of the input lens the lens of the optical system 2. In this case, the panoramic stereoscopic image formed by the convex mirror 1 and the optical system 2 is fully displayed in the plane of the multi-element photodetector 3.

Блок 4 математической обработки зарегистрированного изображения может быть выполнен в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Сигнальные входы блока 4 соединяются посредством электрической связи с сигнальными выходами фотоприемника 3.Block 4 of the mathematical processing of the registered image can be made in the form of a programmable logic integrated circuit (FPGA). The signal inputs of block 4 are connected by electrical communication with the signal outputs of the photodetector 3.

Панорамная аппаратура для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве может содержать узел направленной подсветки 5, см. фиг.5 (показан в разрезе), состоящий, по крайней мере, из одного источника света (обозначен буквой S) и, по крайней мере, из одного щелевого коллиматора с плоскостью щели, перпендикулярной главной оптической оси объектива оптической системы 2 переноса изображения. При этом щелевой коллиматор может быть выполнен в виде светонепроницаемой оболочки с сделанной в нем щелью 6. Узел 5 обеспечивает создание светового репера на крупногабаритном равномерно окрашенном объекте, например стене, что упрощает выделение на зарегистрированной стереопаре двух образов одного и того же фрагмента (светового пятна) объекта, снятых под разными ракурсами, анализ взаимного расположения которых проводится в дальнейшем для определения расстояния до объекта.Panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space may include a directional illumination unit 5, see Fig. 5 (shown in section), consisting of at least one light source (indicated by the letter S) and at least one slotted collimator with a slit plane perpendicular to the main optical axis of the lens of the optical system 2 image transfer. In this case, the slit collimator can be made in the form of an opaque shell with a slit 6 made in it. Node 5 provides the creation of a light frame on a large uniformly colored object, such as a wall, which simplifies the selection of two images of the same fragment (light spot) on a registered stereo pair object taken from different angles, the analysis of the relative position of which is carried out in the future to determine the distance to the object.

Электропитание панорамной аппаратуры для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве может осуществляться по проводной электрической связи от отдельной системы энергоснабжения.Power supply of panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space can be carried out via wired electrical communication from a separate power supply system.

Работа панорамной аппаратуры для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве осуществляется следующим образом.The work of panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space is as follows.

Сначала при помощи выпуклого зеркала 1 и оптической системы 2 на плоскости (Н3) многоэлементного фотоприемника 3 формируется панорамное (круговое) стереоскопическое изображение окружающего пространства в телесном угле Θ.First, using a convex mirror 1 and an optical system 2, a panoramic (circular) stereoscopic image of the surrounding space in solid angle Θ is formed on the plane (H 3 ) of the multi-element photodetector 3.

Данное изображение регистрируется фотоприемником 3, преобразуется в цифровое и передается по электрической связи на сигнальный вход блока 4 математической обработки.This image is recorded by the photodetector 3, converted to digital and transmitted by electrical communication to the signal input of the mathematical processing unit 4.

В блоке 4 математической обработки зарегистрированное изображение анализируется согласно заложенному в блок алгоритму, основанному на описанном способе. На стереопаре локализуется интересующий объект. Процесс локализации заключается в выделении контуров двух образов интересующего объекта при помощи существующих алгоритмов (например, алгоритма Гаусса или Собеля) и двух областей, ограниченных данными контурами. После чего на зарегистрированном изображении находятся координаты точек ((А2(φ,r1) и В2(φ,r2)), фиг.1, 2), соответствующих центрам двух образов интересующего объекта (точки О - центра объекта). Далее, используя найденные координаты и приведенные выше системы уравнений и соотношения, находят координаты (т. O(XO,YO)) в системе O1X1Y.In block 4 of mathematical processing, the registered image is analyzed according to the algorithm incorporated in the block, based on the described method. An object of interest is localized on the stereo pair. The localization process consists in selecting the contours of two images of an object of interest using existing algorithms (for example, the Gauss or Sobel algorithm) and two areas limited by these contours. Then on the registered image are the coordinates of the points ((A 2 (φ, r 1 ) and B 2 (φ, r 2 )), Figs. 1, 2) corresponding to the centers of two images of the object of interest (point O is the center of the object). Further, using the coordinates found and the above system of equations and relationships, find the coordinates (i.e. O (X O , Y O )) in the system O 1 X 1 Y.

В блоке 4 формируется сигнал, содержащий найденный угол φ и координаты (т. O(XO,YO)) в системе O1X1Y, который передается на сигнальный выход блока 4.In block 4, a signal is generated containing the found angle φ and coordinates (i.e., O (X O , Y O )) in the O 1 X 1 Y system, which is transmitted to the signal output of block 4.

Техническая реализация панорамной аппаратуры для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве осуществляется на серийно освоенных конструкционных узлах и элементах. Создание программы для обработки зарегистрированных изображений не составляет трудностей при использовании известных алгоритмов. Заявленный способ и панорамная аппаратура могут быть использованы в технологическом оборудовании, например на погрузчиках для детектирования опасного их сближения с преградой (стеной), что поможет позволить предотвращать столкновения.The technical implementation of panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space is carried out on commercially mastered structural units and elements. Creating a program for processing registered images is not difficult when using well-known algorithms. The claimed method and panoramic equipment can be used in technological equipment, for example, on loaders to detect their dangerous proximity to an obstacle (wall), which will help to prevent collisions.

Claims (3)

1. Способ определения местонахождения объекта в окружающем пространстве, заключающийся в формировании на плоскости многоэлементного фотоприемника панорамного изображения наблюдаемого участка пространства с помощью выпуклой светоотражающей поверхности, направляющей отраженный от нее рассеянный свет к оптической системе переноса изображения наблюдаемого участка пространства на плоскость фотоприемника, в регистрации сформированного изображения и в определении координат интересующего объекта, отличающийся тем, что формируют двухракурсное отражение от светоотражающей поверхности, при этом на плоскости многоэлементного фотоприемника одновременно получают два разнесенных панорамных изображения, каждое из которых содержит наблюдаемый под заданным ракурсом образ участка окружающего пространства с находящимся в нем интересующим объектом, а расстояние до указанного объекта определяют по взаимному расположению двух его образов на одновременно зарегистрированной паре разнесенных панорамных изображений.1. A method for determining the location of an object in the surrounding space, which consists in forming on the plane of a multi-element photodetector a panoramic image of the observed space using a convex reflective surface directing the scattered light reflected from it to the optical system for transferring the image of the observed space on the plane of the photodetector, in registering the generated image and in determining the coordinates of the object of interest, characterized in that they form two directional reflection from a reflective surface, while on the plane of a multi-element photodetector, two spaced panoramic images are simultaneously received, each of which contains an image of a portion of the surrounding space with the object of interest located in it at a given angle, and the distance to the specified object is determined by the relative position of its two images on a simultaneously recorded pair of spaced panoramic images. 2. Панорамная аппаратура для определения местонахождения объекта в окружающем пространстве, содержащая выпуклое зеркало со светоотражающей поверхностью, охватывающей круговой обзор контролируемого пространства в заданном телесном угле, многоэлементный фотоприемник, оптическую систему переноса отраженного от зеркала панорамного изображения на плоскость многоэлементного фотоприемника, а также устройство регистрации и обработки полученного изображения, отличающаяся тем, что светоотражающая поверхность выпуклого зеркала образована двумя телами вращения, переходящими одно в другое, с общей осью вращения, совмещенной с главной оптической осью объектива оптической системы переноса изображения, геометрические параметры которых обеспечивают отображение на плоскости фотоприемника двух разноракурсных панорамных изображений наблюдаемого участка пространства.2. Panoramic equipment for determining the location of an object in the surrounding space, containing a convex mirror with a reflective surface, covering a circular view of the controlled space at a given solid angle, a multi-element photodetector, an optical system for transferring a panoramic image reflected from the mirror onto the plane of a multi-element photodetector, as well as a recording device and processing the obtained image, characterized in that the reflective surface of the convex mirror is formed two bodies of rotation, which become one another, with a common axis of rotation, combined with the main optical axis of the objective optical image transfer system, which provides the geometric parameters of the mapping on a plane photodetector two unified point panoramic image of the observation portion of the space. 3. Панорамная аппаратура по п.2, отличающаяся тем, что светоотражающая поверхность выпуклого зеркала образована двумя коническими поверхностями с разными углами при вершинах, при этом обе конические поверхности обращены своими вершинами к входной апертуре оптической системы переноса изображения, и вершина конуса с меньшим углом при вершине смещена ближе к входной апертуре оптической системы переноса изображения, чем вторая. 3. Panoramic equipment according to claim 2, characterized in that the reflective surface of the convex mirror is formed by two conical surfaces with different angles at the vertices, while both conical surfaces face their apices to the input aperture of the optical image transfer system, and the vertex of the cone with a smaller angle at the vertex is shifted closer to the input aperture of the optical image transfer system than the second.
RU2009103683/28A 2009-02-04 2009-02-04 Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method RU2420774C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009103683/28A RU2420774C2 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009103683/28A RU2420774C2 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009103683A RU2009103683A (en) 2010-08-10
RU2420774C2 true RU2420774C2 (en) 2011-06-10

Family

ID=42698754

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009103683/28A RU2420774C2 (en) 2009-02-04 2009-02-04 Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2420774C2 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535631C2 (en) * 2013-03-13 2014-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина") Method of locating object in surrounding space
RU173766U1 (en) * 2017-04-12 2017-09-11 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Laser location device for a given area of space
RU2703611C1 (en) * 2019-01-28 2019-10-21 Акционерное общество "Стелла-К" Method of producing stereoscopic images with a synthesized stereo base value

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535631C2 (en) * 2013-03-13 2014-12-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный Ядерный Центр-Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Технической Физики имени академика Е.И. Забабахина" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина") Method of locating object in surrounding space
RU173766U1 (en) * 2017-04-12 2017-09-11 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова" (ФГУП "ВНИИА") Laser location device for a given area of space
RU2703611C1 (en) * 2019-01-28 2019-10-21 Акционерное общество "Стелла-К" Method of producing stereoscopic images with a synthesized stereo base value

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009103683A (en) 2010-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2201607C2 (en) Omnidirectional facility to form images
CN101271187B (en) Non-dead angle binocular solid all-directional vision sensing equipment
US6793356B2 (en) Omnidirectional vision sensor
RU2001101469A (en) GETTING THREE-DIMENSIONAL PLANS WITH ONE MANUAL RECORDING CAMERA
Liu et al. Simulation of light-field camera imaging based on ray splitting Monte Carlo method
Marino et al. HiPER 3-D: An omnidirectional sensor for high precision environmental 3-D reconstruction
JP6963295B2 (en) 3D information acquisition device
JP7393542B2 (en) Compound camera device and compound eye system
RU2420774C2 (en) Method of determining position of object in space and panoramic apparatus for implementing said method
US9273954B2 (en) Method and system for analyzing geometric parameters of an object
JPH1195344A (en) Omniazimuth stereoscopic picture taking device
US10789730B2 (en) Method and apparatus for monitoring a position
JP2006220603A (en) Imaging apparatus
JP4918830B2 (en) Position measurement system
Borrmann Multi-modal 3D mapping-Combining 3D point clouds with thermal and color information
JP2006222920A (en) Image pickup device and method for correcting imaging system parameter
JP2007264402A (en) Omniazimuth visual sensor
JP2015232506A (en) Array mirror system and infrared ray detection device
JP2001194128A (en) Method for estimating configuration of three-dimensional surface shape using stereoscopic camera with focal light source
Sueishi et al. Mirror-based high-speed gaze controller calibration with optics and illumination control
JP2023056759A (en) Surface measurement device and surface measurement method
Findeisen et al. Trinocular spherical stereo vision for indoor surveillance
Orghidan Catadioptric stereo based on structured light projection
Kweon et al. A catadioptric double-panoramic lens with the equidistance projection for a rangefinder application
JP2006078291A5 (en)