RU2485443C1 - Способ измерения расстояний на цифровой фотокамере - Google Patents
Способ измерения расстояний на цифровой фотокамере Download PDFInfo
- Publication number
- RU2485443C1 RU2485443C1 RU2011151194A RU2011151194A RU2485443C1 RU 2485443 C1 RU2485443 C1 RU 2485443C1 RU 2011151194 A RU2011151194 A RU 2011151194A RU 2011151194 A RU2011151194 A RU 2011151194A RU 2485443 C1 RU2485443 C1 RU 2485443C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- distance
- images
- correlation function
- maximum
- horizontal
- Prior art date
Links
- 238000005314 correlation function Methods 0.000 claims abstract description 27
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 17
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 2
- 206010000372 Accident at work Diseases 0.000 description 1
- 241000271566 Aves Species 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
Abstract
Изобретение может использоваться для измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым фотографическим изображениям. Способ включает получение двух цифровых изображений объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных по горизонтали на известное расстояние. Дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями по горизонтальной оси. Размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают так, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности. Осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали, сдвиг между изображениями Δx определяют по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции. Уточняют положение максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне и осуществляют локализацию максимума между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами. Определяют дальность и размеры объекта. Дальность до выделенной области объекта определяют из выражения
где Lo - расстояние между точками фотографирования в пространстве, f - фокусное расстояние фотокамеры, Δx, Δy - сдвиги между изображениями по горизонтали и вертикали соответственно. Технический результат - повышение точности измерений расстояний. 1 ил.
Description
Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их цифровым фотографическим изображениям.
Известен способ измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным изображениям [1], основанный на последовательном формировании двух ТВ-изображений с помощью одной ТВ-камеры, с изменяемым фокусным расстоянием объектива для разных точек наблюдения, разнесенных между собой на априорно известное расстояние. Недостатком такой системы является малый диапазон измеряемых расстояний и невысокая точность измерений, обусловленная невысоким разрешением строчной развертки при формировании телевизионного изображения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ измерения расстояний до объекта [2], обладающего осью симметрии, с использованием двух цифровых фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние. На фотокамерах формируются два цифровых изображения измеряемого объекта. На каждом изображении формируется окно шириной, равной размеру объекта. Затем вычисляется оценочная функция между двумя изображениями объекта, находящегося в выделенном окне, причем одно изображение последовательно сдвигается по горизонтали относительно другого. По минимальному значению оценочной функции определяется сдвиг между изображениями объекта. Дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями, при этом необходимо знать расстояние между фотокамерами и фокусное расстояние объективов камер. Недостатком этого способа является низкая точность измерения дальности, обусловленная следующими причинами. Во-первых, если измеряемый объект имеет объемную форму, разные части изображения, находящиеся на разных расстояниях, будут иметь различные сдвиги. Оценочная функция между двумя изображениями вычисляется путем вычитания идентичных точек одного изображения из другого при последовательном сдвиге одного окна относительно другого (формула (2) [2]). При полном совпадении двух изображений оценочная функция должна быть равна нулю (фиг.3 [2]). Так как разные части изображения находятся на разных расстояниях, то они будут иметь различные сдвиги, следовательно изображения не могут совпасть и оценочная функция в принципе не может быть равной нулю. Это ухудшает точность измерения сдвига, а значит точность измерения расстояний. Другая причина обусловлена тем, что при вычислении дальности в системе не учитывается возможное отклонение от горизонтальной линии положения двух цифровых фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние. Третья причина низкой точности измерения дальности заключается в том, что сдвиг между изображениями на фотоприемной матрице определяется только с точностью до одного пикселя.
Задача изобретения - повышение точности измерений расстояний. Решение поставленной задачи позволит использовать предлагаемое изобретение для измерения расстояний и размеров объектов как для решения задач криминалистики на местах преступлений, занимающих значительные территории (места взрывов, крушений, техногенных аварий и т.д.), так и для решения задач геодезии, картографии, строительства т.п.
Поставленная задача решается путем того, что в способе измерения расстояний на цифровой фотокамере, заключающемся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемого объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние; при этом дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями объекта по горизонтальной оси, размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности, осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали, сдвиг между изображениями Δx определяют по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции R в соответствии с выражением
где I1 - сигнал окна сканирования первого изображения; I2 - сигнал окна сканирования второго изображения; xmax, ymax - размер сканирующего окна; Δx, Δy - сдвиги по горизонтали и вертикали, соответственно, , - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования, соответственно; n=1, 2; осуществляют уточнение положения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением
I(x+ih,y+jh)=(1-ih)(1-jh)·I(x,y)+(1-jh)ih·I(x+1,y)+
+(1-ih)jh·I(x,y+1)+ijh2·I(x+1,y+1),
где h - шаг сетки уточнения; i, j - горизонтальный и вертикальный индексы узла, соответственно; I(x, y) - максимальное значение корреляционной функции, I(x+1, y), 1(x, y+1), 1(x+1, y+1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках; затем осуществляют локализацию максимума между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами в соответствии с выражением
где Im, xm - интенсивность и координата узла сетки с максимальным значением интенсивности, Im+1, Im-1, xm+1, xm-1 - интенсивности и координаты соседних узлов сетки; а дальность R до выделенной области объекта определяют из выражения
где Lo - расстояние между точками фотографирования в пространстве, f - фокусное расстояние фотокамеры; при этом размеры k-го объекта определяются из выражений
где Rk - расстояния до k-го объекта, xk, yk - размеры объекта на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали, соответственно, Hk - высота объекта, Dk - ширина объекта.
Свойство, появляющееся у заявляемого объекта, это повышение точности измерения расстояний, обусловленное тем, что за счет выбора соответствующего размера сканирующего окна достигается максимальное значение корреляционной функции, а за счет использования предложенной методики субпиксельной интерполяции достигается повышение точности определения сдвига между изображениями. Так как вычисляется двухмерная корреляционная функция и осуществляется ее нормировка, то устраняется влияние на точность измерения различия яркости и контрастности обоих изображений, а также отклонение взаимного расположения измерительных камер от горизонтальной линии.
Сущность способа измерений поясняется с помощью чертежа, на котором представлена функциональная схема измерителя расстояний на основе цифрового фотоаппарата. Система содержит: измеряемый объект 1, два цифровых фотоаппарата, состоящих из линз 2 и фотоприемных матриц 3, 4, соответственно, вычислительный блок 5.
Измеритель расстояний работает следующим образом. С помощью цифровых фотоаппаратов на фотоприемных матрицах 3 и 4 реализуются цифровые изображения измеряемых объектов. Полученные два цифровых изображения одних и тех же объектов поступают в вычислительный блок, где производится измерение расстояний по следующему алгоритму. На первом изображении формируется окно сканирования, размер которого выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов выделенного объекта была меньше инструментального разрешения по дальности. Если поверхность объекта является плоскостью, перпендикулярной горизонтали и оси наблюдения, то все точки плоскости будут находиться на одинаковом расстоянии от объектива. Если предмет имеет объемную форму, то необходимо на нем выделить плоскую поверхность. Автоматически окно сканирования с такими же координатами формируется и на втором снимке. Затем осуществляется сканирование одного окна относительно другого по горизонтали и вертикали, при этом вычисляется значение двухмерной нормированной корреляционной функции между выделенными изображениями в соответствии с выражением
где I1 - сигнал окна сканирования первого изображения; I2 - сигнал окна сканирования второго изображения; xmax, ymax - размер сканирующего окна по горизонтали и вертикали, соответственно; Δx, Δy - сдвиг по горизонтали и вертикали, соответственно; - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования, соответственно; n=1, 2. Из приведенного выражения следует, что сканирование осуществляется по горизонтали и вертикали. По положению максимального значения нормированной корреляционной функции (1) определяют сдвиг между изображениями Δx=x2-x1. Так как все точки объекта в выделенном окне находятся на одинаковом расстоянии и осуществляется нормировка по величине среднего значения сигнала, то достигается максимальное значение корреляционной функции, и при полном совпадении изображений корреляционная функция (1) будет равна единице. Дальность R до выделенной области объекта определяется из выражения
где L - расстояние между фотокамерами, f - фокусное расстояние фотокамер. Аналогичным образом определяются расстояния Rk, до всех объектов, попавших в поле зрения фотокамеры.
Измеритель расстояний также позволяет измерять высоту и линейные размеры объектов. Это осуществляется следующим образом. Определив значение расстояния до k-того объекта Rk и размеры этого объекта на фотоприемной матрице xk по горизонтали и yk по вертикали, ширина объекта Dk и высота Hk определяются из выражений
Так как сканирование одного окна относительно другого осуществляется со сдвигом на один пиксель вдоль осей координат, то положение максимума корреляционной функции и, следовательно, сдвиг между изображениями определяется также с точностью в один пиксель. Этот фактор значительно ограничивает точность измерения расстояний. Для повышения точности измерения расстояний необходимо определять положение максимума корреляционной функции (сдвига между изображениями Δx) в пределах одного пикселя.
Для уточнения величины сдвига Δx в субпиксельном диапазоне используется билинейная интерполяция сигнала с заданным шагом, алгоритм которой заключается в следующем. Обычно область уточнения выбирается шириной и высотой в 2 пикселя. В точке максимального значения корреляционной функции I(x, y), полученного на этапе грубой оценки с точностью в один пиксель, строится сетка ячеек, соответствующих узлам интерполяции, и ведется повторное сканирование с шагом равным h=1/k пикселя, где k - целое число (k=5…20). Таким образом, вычисляется значение корреляционной функции для k2 узлов сетки. Интенсивность I(x+ih, y+jh) узла сетки вычисляется из выражения
I(x+ih,y+jh)=(1-ih)(1-jh)·I(x,y)+(1-jh)ih·I(x+1,y)+
+(1-ih)jh·I(x,y+1)+ijh2·I(x+1,y+1), (4)
где h=1/k - шаг сетки; i, j - горизонтальный и вертикальный индексы узла соответственно; I(x, y) - максимальное значение корреляционной функции I(x+1, y), I(x, y+1), I(x+1, y+1) - значения интенсивности корреляционной функции в точках, ближайших к максимальному. Затем производится коррекция ошибки при помощи параболической интерполяции между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами, локализирующая максимум параболы в заданном интервале. Допустим, найден узел сетки с максимальным значением интенсивности Im и координатой xm. А его соседние узлы с координатами xm+1 и xm-1 имеют значения интенсивности Im+1 и Im-1, причем Im+1<Im и Im-1<Im. Для уточнения величины смещения на заданном интервале проводится локализация максимума путем параболической интерполяции в соответствии с выражением
Очевидно, что билинейная интерполяция дает разрешение в пределах одного пикселя, равное 1/k, а параболическая интерполяция имеет относительную погрешность 17%. Следовательно, если взять k=10…15, то разрешение при определении сдвига составит величину в сотую долю пикселя.
Учет отклонения от горизонтальной линии положения двух цифровых фотокамер осуществляется следующим образом. Если фотокамеры расположены точно на одной горизонтальной линии, то сдвиг между изображениями объекта по вертикальной оси будет отсутствовать, т.е. Δy=0, следовательно расстояние между фотокамерами в пространстве Lo будет равно расстоянию между фотокамерами по горизонтальной оси L=Lo.
Если имеется сдвиг между фотокамерами по вертикальной оси ΔY, как показано на чертеже (при этом оптические оси объективов камер параллельны), то расстояние между фотокамерами по горизонтальной оси не будет равно Lo, а будет определяться следующим образом
где Lo - расстояние между фотокамерами в пространстве, α - угол между горизонтальной осью и линией, соединяющей фотокамеры. При этом сдвиг между изображениями объекта на фотокамерах по вертикальной оси не будет равен нулю Δy≠0. Определив сдвиг между изображениями объекта по горизонтальной и вертикальной осям Δx и Δy, можно найти угол α из выражения
Таким образом, расчетная формула для определения дальности (1), учитывающая отклонение от горизонтальной линии положения двух цифровых фотокамер, будет иметь вид
где Lo - расстояние между точками фотографирования в пространстве, f - фокусное расстояние фотокамеры, Δx - сдвиг между изображениями объекта по горизонтальной оси, Δy - сдвиг между изображениями объекта по вертикальной оси.
Вычислительный блок с помощью геометрии полученных изображений объектов может также осуществить измерение расстояний между объектами на цифровой фотографии. Знать точное значение расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы и значение фокуса объектива нет необходимости, так как эти значения можно определить при калибровке системы на точно известном расстоянии.
Большинство современных лазерных дальномеров основаны на активном способе измерения дальности, заключающемся в посылке на дистанцию лазерного импульса. Такой способ не обеспечивает скрытность измерений, так как оптические датчики, установленные на цели, позволяют легко выявить как сам факт измерения, так и определить направление и координаты точки, откуда было произведено измерение, т.е. происходит рассекречивание дальномера. Предлагаемый способ измерения дальности является пассивным и основан на анализе изображений объектов, полученных в результате фотографирования. Такой метод обеспечивает скрытность измерений, т.е. измеряемые объекты не могут обнаружить, что по ним измеряется дальность, что особенно важно для решения военных задач.
Предлагаемая система позволяет измерять расстояния до тех объектов, до которых невозможно или очень сложно проводить измерения с помощью лазерных дальномеров, например тонкие провода, антенны, находящиеся на большом расстоянии, объекты с низким коэффициентом отражения, зеркальные поверхности, прозрачные облака, птицы, животные, люди и т.п. Особое значение данная система имеет для обеспечения работы правоохранительных органов на местах преступлений, занимающих значительные территории (места взрывов, крушений, техногенных аварий и т.д.), когда зафиксировать традиционными средствами местоположение всего множества объектов (следов, обломков и т.д.) невозможно. Измеритель может быть использован также для решения задач геодезии и картографии по измерению расстояний, размеров и расположения предметов на местности, размеров неровностей поверхности земли (горы, скалы) и т.п.; в метеорологии для измерения высоты облаков, размеров облаков, для измерения высоты леса и т.п.
Таким образом, за счет выбора соответствующего размера сканирующего окна и измерения положения максимума двухмерной нормированной корреляционной функции в субпиксельном диапазоне достигается повышение точности измерения расстояний в результате анализа двух цифровых фотографических изображений, полученных с фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали.
Источники информации
1. Патент РФ №2381521. G01S 11/00. Способ измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным изображениям. 2009 г.
2. US Patent №5432594, G01C 3/00. 1995.
Claims (1)
- Способ измерения расстояний на цифровой фотокамере, заключающийся в получении двух цифровых фотографических изображений измеряемого объекта с использованием двух фотокамер, разнесенных в пространстве по горизонтали на известное расстояние; при этом дальность до объекта определяется по сдвигу между изображениями объекта по горизонтальной оси, отличающийся тем, что размер сканирующего окна с изображением объекта выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов объекта была меньше инструментального разрешения по дальности, осуществляют сканирование по горизонтали и вертикали, сдвиг между изображениями Δx определяют по положению максимального значения двухмерной нормированной корреляционной функции R в соответствии с выражением
где I1 - сигнал окна сканирования первого изображения;
I2 - сигнал окна сканирования второго изображения;
xmax, ymax - размер сканирующего окна;
Δx, Δy - сдвиги по горизонтали и вертикали соответственно,
, - средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования соответственно;
n=1, 2;
осуществляют уточнение положения максимума корреляционной функции в субпиксельном диапазоне в соответствии с выражением
I(x+ih, y+jh)=(1-ih)(1-jh)·I(x, y)+(1-jh)ih·I(x+1, y)+
+(1-ih)jh·I(x, y+1)+ijh2·I(x+1, y+1),
где h - шаг сетки уточнения;
i, j - горизонтальный и вертикальный индексы узла соответственно;
I(x, y) - максимальное значение корреляционной функции;
I(х+1, y), I(x, y+1), I(x+1, y+1) - значения интенсивности корреляционной функции в ближайших точках;
затем осуществляют локализацию максимума между узлом сетки с наибольшим значением корреляционной функции и его соседними узлами в соответствии с выражением
где Im, xm - интенсивность и координата узла сетки с максимальным значением интенсивности,
Im+1, Im-1, xm+1, xm-1 - интенсивности и координаты соседних узлов сетки;
а дальность R до выделенной области объекта определяют из выражения
где Lo - расстояние между точками фотографирования в пространстве,
f - фокусное расстояние фотокамеры;
при этом размеры k-го объекта определяются из выражений
где Rk - расстояния до k-го объекта;
xk, yk - размеры объекта на фотоприемной матрице по горизонтали и вертикали соответственно;
Hk - высота объекта;
Dk - ширина объекта.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2485443C1 true RU2485443C1 (ru) | 2013-06-20 |
Family
ID=
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA026460B1 (ru) * | 2014-12-19 | 2017-04-28 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ анализа цифровых изображений оттисков печатей для криминалистических экспертиз |
RU2626051C2 (ru) * | 2016-10-17 | 2017-07-21 | Алексей Владимирович Зубарь | Способ определения дальностей до объектов по изображениям с цифровых видеокамер |
RU2689848C1 (ru) * | 2018-05-29 | 2019-05-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "3 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Измеритель расстояний на цифровой видеокамере |
RU2721096C1 (ru) * | 2019-09-04 | 2020-05-15 | Публичное Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" (ПАО РОМЗ) | Оптико-электронный пассивный дальномер |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Козлов В.Л., Кузьмичев И.Р. Измеритель дальности и размерных параметров объектов на основе цифровой фотокамеры. Вестник БГУ, cep.1, 2011, №1, с.33-38. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EA026460B1 (ru) * | 2014-12-19 | 2017-04-28 | Белорусский Государственный Университет (Бгу) | Способ анализа цифровых изображений оттисков печатей для криминалистических экспертиз |
RU2626051C2 (ru) * | 2016-10-17 | 2017-07-21 | Алексей Владимирович Зубарь | Способ определения дальностей до объектов по изображениям с цифровых видеокамер |
RU2689848C1 (ru) * | 2018-05-29 | 2019-05-29 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "3 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации | Измеритель расстояний на цифровой видеокамере |
RU2721096C1 (ru) * | 2019-09-04 | 2020-05-15 | Публичное Акционерное общество "Ростовский оптико-механический завод" (ПАО РОМЗ) | Оптико-электронный пассивный дальномер |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2626051C2 (ru) | Способ определения дальностей до объектов по изображениям с цифровых видеокамер | |
US8718326B2 (en) | System and method for extracting three-dimensional coordinates | |
EP1792282B1 (en) | A method for automated 3d imaging | |
CN102635056B (zh) | 一种沥青路面构造深度的测量方法 | |
CN103149560B (zh) | Ccd成像侧向激光雷达的标定方法 | |
Teizer | 3D range imaging camera sensing for active safety in construction | |
EP1493990A1 (en) | Surveying instrument and electronic storage medium | |
CN111435081B (zh) | 海面测量系统、海面测量方法以及存储介质 | |
Alho et al. | Mobile laser scanning in fluvial geomorphology: Mapping and change detection of point bars | |
CN109883391B (zh) | 基于微透镜阵列数字成像的单目测距方法 | |
CN101858743B (zh) | 基于大视场摄像及图像处理的测距装置及其方法 | |
US20090008554A1 (en) | Method for infrared imaging of living or non-living objects including terrains that are either natural or manmade | |
CN110208771A (zh) | 一种移动二维激光雷达的点云强度改正方法 | |
Nakatani et al. | 3D visual modeling of hydrothermal chimneys using a rotary laser scanning system | |
EP3989169A1 (en) | Hybrid photogrammetry | |
EA028167B1 (ru) | Способ определения дальности до объекта, его высоты и ширины | |
RU2485443C1 (ru) | Способ измерения расстояний на цифровой фотокамере | |
Teizer et al. | Range imaging as emerging optical three-dimension measurement technology | |
NL2027547B1 (en) | Method of and apparatus for determining deformations of quay walls using a photogrammetric system | |
CN115937243A (zh) | 一种基于点云三维数据的下游河道图像变形监测方法 | |
RU2734070C9 (ru) | Способ измерения пространственного расстояния между малоразмерными объектами | |
RU2752687C1 (ru) | Способ определения дальности с помощью цифровой видеокамеры и трех источников света | |
JPH11223516A (ja) | 3次元画像撮像装置 | |
RU152656U1 (ru) | Оптико-электронное устройство для обнаружения малогабаритных беспилотных летательных аппаратов | |
Long et al. | Lidar Essential Beam Model for Accurate Width Estimation of Thin Poles |