RU2649420C2 - Method of remote measurement of moving objects - Google Patents

Method of remote measurement of moving objects Download PDF

Info

Publication number
RU2649420C2
RU2649420C2 RU2014120198A RU2014120198A RU2649420C2 RU 2649420 C2 RU2649420 C2 RU 2649420C2 RU 2014120198 A RU2014120198 A RU 2014120198A RU 2014120198 A RU2014120198 A RU 2014120198A RU 2649420 C2 RU2649420 C2 RU 2649420C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cameras
camera
computing device
measured
clock cycle
Prior art date
Application number
RU2014120198A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2014120198A (en
Inventor
Яков Борисович Ландо
Original Assignee
Яков Борисович Ландо
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 Яков Борисович Ландо filed Critical Яков Борисович Ландо
Priority to RU2014120198A priority Critical patent/RU2649420C2/en
Publication of RU2014120198A publication Critical patent/RU2014120198A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2649420C2 publication Critical patent/RU2649420C2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the measuring equipment and can be used for visualization, mathematical modeling and recognition of moving three-dimensional objects. In the method of remote measurement of mobile objects a pulsed light source is projected onto the surface being measured of an unchangeable light signal, which is a regular set of contrast parallel lines, this set is recorded in one clock cycle by several cameras simultaneously, and the surface geometry is determined by a computing device using simple comparative analysis of the signal from these cameras. Using pulsed projecting device P an unchangeable illumination of the measurement space is created and displayed on the reference flat plane (RF) in the form of contrast parallel lines of thickness d and step D. First camera C1 is located at distance a1 from the projector, which is determined from the condition that at the maximum displacement of measured surface Zmax, the deviations of the beams projection onto the RF should not exceed the value of D-d. Other cameras are arranged so that the following condition is satisfied: am=am-1*Km, where Km are coefficients that satisfy the constraints: Km<D/d-1. Clock cycle is produced simultaneously by all the cameras and the result is fed to the computing device, where on the basis of comparative analysis of this information the surface is built.
EFFECT: improving accuracy and reliability of measurements.
1 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для визуализации, математического моделирования и распознавания подвижных трехмерных объектов.The invention relates to the field of measurement technology and can be used for visualization, mathematical modeling and recognition of moving three-dimensional objects.

Способ реализует принцип подсветки измеряемой поверхности и принцип триангуляции для получения ее точек.The method implements the principle of highlighting the measured surface and the principle of triangulation to obtain its points.

Известны способы, основанные на измерении времени распространения отраженного от измеряемой поверхности светового лазерного импульса (time-of-flight системы, например, http://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight camera). Из-за необходимости измерять очень короткие интервалы времени, они не обеспечивают удовлетворительной точности на близких расстояниях.Known methods based on measuring the propagation time of a light laser pulse reflected from a measured surface (time-of-flight system, for example, http://en.wikipedia.org/wiki/Time-of-flight camera). Due to the need to measure very short time intervals, they do not provide satisfactory accuracy at close distances.

Известен способ, заключающийся в проецировании на измеряемую поверхность структурированного света - контрастных световых полос, покрывающих всю поверхность (например, http://www.foto-business.ru/3D-skaneryi/3D-skaneryi-David/DAVID-Structured-Light-Scanner-SLS-1.html). Он требует нескольких тактов съемки (5-9 за цикл, в зависимости от точности), при этом от такта к такту меняется ширина полос.A known method is to project structured light onto the measured surface — contrast light strips covering the entire surface (for example, http://www.foto-business.ru/3D-skaneryi/3D-skaneryi-David/DAVID-Structured-Light- Scanner-SLS-1.html). It requires several shooting cycles (5-9 per cycle, depending on accuracy), while the width of the bands changes from measure to measure.

Известен также способ (http://automodeling-and-video-mapping.googlecode.com/svn-history/r35/trunk/doc/papers/structured-light/zhang-fast-three-step.pdf), который использует проецирование световых полос, яркость которых меняется в поперечном направлении по синусоидальному закону, при этом требуется всего 3 такта съемки в цикле, причем световые полосы в каждом такте сдвинуты по фазе на 120 градусов.There is also a method (http://automodeling-and-video-mapping.googlecode.com/svn-history/r35/trunk/doc/papers/structured-light/zhang-fast-three-step.pdf) that uses projection light strips, the brightness of which varies in the transverse direction according to a sinusoidal law, while only 3 shooting cycles are required in a cycle, and the light strips in each cycle are shifted in phase by 120 degrees.

Последние два способа характеризуются наличием нескольких тактов съемки за цикл, во время которых источник света и регистрирующее устройство должны быть неподвижны относительно измеряемого объекта, в силу чего они также малопригодны для обмера подвижных объектов.The last two methods are characterized by the presence of several shooting cycles per cycle, during which the light source and the recording device must be stationary relative to the measured object, due to which they are also unsuitable for measuring moving objects.

Наиболее близким из известных по своему назначению является способ, реализованный в устройстве "Kinect" фирмой Microsoft (http://masters.donntu.edu.ua/2012/fknt/sobolev/library/article10.htm). Устройство содержит импульсный лазерный источник света и одну регистрирующую камеру. (Вторая камера является дополнительной и служит для отображения текстуры.) Поскольку способ предусматривает всего один такт съемки, он широко используется в компьютерных игровых системах для распознавания подвижных объектов.The closest known for its purpose is the method implemented in the device "Kinect" by Microsoft (http://masters.donntu.edu.ua/2012/fknt/sobolev/library/article10.htm). The device contains a pulsed laser light source and one recording camera. (The second camera is optional and serves to display the texture.) Since the method provides for only one clock cycle, it is widely used in computer gaming systems to recognize moving objects.

Данный способ выбран в качестве прототипа. Особенность способа в том, что в качестве подсветки вместо контрастных полос, меняющейся ширины, или синусоид, сдвинутых по фазе, он использует неизменный световой сигнал случайной формы, который дает уникальную структуру рисунка в окрестности любой точки измеряемой поверхности. Недостатком способа является невысокая точность из-за необходимости для определения координат точки анализа некоторой ее окрестности.This method is selected as a prototype. The peculiarity of the method is that instead of contrasting strips, changing widths, or sinusoids shifted in phase, it uses a constant light signal of a random shape, which gives a unique pattern structure in the vicinity of any point on the measured surface. The disadvantage of this method is the low accuracy due to the need to determine the coordinates of the points of analysis of some of its surroundings.

Сущность заявляемого способа заключается в проецировании импульсным источником света на измеряемую поверхность неизменяемого светового сигнала, который представляет собой регулярное множество контрастных параллельных линий, регистрации этого множества за один такт съемки несколькими камерами одновременно, и определении геометрии поверхности вычислительным устройством с помощью простого сравнительного анализа сигнала с этих камер. Количество и расположение используемых камер определяется требуемой точностью и требуемой глубиной измерений.The essence of the proposed method consists in projecting a pulsed light source onto the measured surface of an unchanged light signal, which is a regular set of contrasting parallel lines, registering this set for one shot of several cameras at a time, and determining the surface geometry by a computing device using a simple comparative analysis of the signal from these cameras. The number and location of the cameras used is determined by the required accuracy and the required measurement depth.

Новизна предлагаемого способа усматривается в том, что с целью исключения необходимости анализа формы рисунка в окрестности каждой точки вместо рисунка случайной формы, используется световой сигнал, состоящий из регулярного множества линий, а также в том, что вместо одной используется несколько камер, расположенных определенным образом относительно источника света, и регистрирующих этот сигнал одновременно, за один такт, с целью его простого сравнительного анализа вычислительным устройством.The novelty of the proposed method is seen in the fact that in order to eliminate the need to analyze the shape of the pattern in the vicinity of each point instead of a randomly shaped pattern, a light signal consisting of a regular set of lines is used, and also that instead of one, several cameras are located, which are located in a certain way relative to light source, and registering this signal at the same time, in a single cycle, with the aim of its simple comparative analysis by a computing device.

Наличие совокупности данных существенных признаков приводит к достижению технического результата, который выражается в повышении точности и надежности измерений.The presence of a combination of these essential features leads to the achievement of a technical result, which is expressed in improving the accuracy and reliability of measurements.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения.Thus, the proposed technical solution meets the established conditions of patentability of the invention.

Других технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками не обнаружено.No other technical solutions of a similar purpose with similar essential features were found.

На Фиг. 1 показана схема расположения камер и проецирующего устройства, при реализации предлагаемого способа. Здесь P - импульсное проецирующее устройство, C1, C2, … Cn - регистрирующие камеры, a1, a2, … an - соответствующие расстояния от камер до проектора, RF (reference face) - воображаемая базовая плоскость, она же виртуальный пиксельный экран, общий для всех камер, она же плоскость максимального отдаления z0 измеряемых объектов от проектора, zmax - максимально допустимое смещение поверхности объекта от RF (глубина измерений), Ri - лучи проектора, D - шаг между лучами в проекции на RF, d - толщина линии в проекции на RF.In FIG. 1 shows a layout of cameras and a projection device, when implementing the proposed method. Here P is a pulsed projection device, C 1 , C 2 , ... C n are the recording cameras, a 1 , a 2 , ... a n are the corresponding distances from the cameras to the projector, RF (reference face) is an imaginary base plane, it’s also virtual a pixel screen common to all cameras, it is the plane of maximum distance z 0 of measured objects from the projector, z max is the maximum allowable displacement of the object surface from RF (measurement depth), R i are the projection beams, D is the step between the beams in the projection onto RF , d is the thickness of the line in the projection on the RF.

Фиг. 2 поясняет алгоритм триангуляции. Здесь P - проецирующее устройство, Cm - произвольная камера, Ri - произвольный луч проектора, Smi - смещение проекции луча Ri на RF поверхностью обмера для камеры Cm.FIG. 2 illustrates the triangulation algorithm. Here P is the projection device, C m is an arbitrary camera, R i is an arbitrary beam of the projector, S mi is the displacement of the projection of the beam R i on the RF by the measuring surface for the camera C m .

Фиг. 3 иллюстрирует пример реализации предлагаемого способа с использованием трех камер.FIG. 3 illustrates an example implementation of the proposed method using three cameras.

На Фиг. 4, 5 показаны экспериментальная установка с двумя камерами, реализующая предлагаемый способ и результат измерения кисти руки.In FIG. 4, 5 show an experimental setup with two cameras that implements the proposed method and the result of measuring the hand.

Активным пикселем Ymi камеры Cm (Фиг. 2) будем называть центральную проекцию (с центром в т. Cm) на RF любой точки на поверхности объекта, освещенной лучом Ri. Луч Ri будем называть порождающим для пикселя Ymj, а сам пиксель Ymj принадлежащим лучу Ri.The active pixel Y mi of the camera C m (Fig. 2) is the central projection (centered at t. C m ) on the RF of any point on the surface of the object illuminated by the beam R i . The ray R i will be called the generator for the pixel Y mj , and the pixel Y mj itself belongs to the ray R i .

Для каждой камеры Cm (Фиг. 2) поверхность объекта смещает изображение луча Ri на RF, при этом координата Z поверхности пропорциональна смещению Smi (принцип триангуляции):For each camera C m (Fig. 2), the surface of the object shifts the image of the ray R i by RF, while the Z coordinate of the surface is proportional to the displacement S mi (triangulation principle):

Figure 00000001
Figure 00000001

Расположим камеру C1 на таком малом расстоянии a1 от проецирующего устройства, чтобы при любом смещении поверхности объекта меньшем чем Zmax смещение проекции любого луча Ri для этой камеры не превышало величины:We position the camera C 1 at such a small distance a 1 from the projecting device so that for any displacement of the surface of the object less than Z max, the projection displacement of any beam R i for this camera does not exceed the value:

Figure 00000002
Figure 00000002

Тогда, исходя из (1), Zmax должно удовлетворять условию (Фиг. 1):Then, based on (1), Z max must satisfy the condition (Fig. 1):

Figure 00000003
Figure 00000003

Если, наоборот, задаться значением Zmax, то из (3) получаем предельное значение для a1:If, on the contrary, is given the value of Z max , then from (3) we obtain the limiting value for a 1 :

Figure 00000004
Figure 00000004

В этом случае смещение проекции любого луча для камеры C1 легко определяется. (Оно лежит в пределах интервалов D1.) Зная смещения, из (1) можно найти значения Z поверхности, однако точность такого вычисления будет очень низкой (в силу малости a1).In this case, the projection offset of any beam for camera C 1 is easily determined. (It lies within the intervals D 1. ) Knowing the displacements, one can find the surface Z from (1), but the accuracy of such a calculation will be very low (due to the smallness of a1).

Расположим остальные камеры так, чтобы выполнялись условия:We arrange the rest of the cameras so that the following conditions are met:

Figure 00000005
Figure 00000005

где

Figure 00000006
Where
Figure 00000006

Можно показать, что при выполнении условий (4)-(6) принадлежность активных пикселей для каждой камеры Cm (m=2, … n) легко определяется на основе анализа данных от камер Cm и Cm-1 и, следовательно, определяется геометрия поверхности объекта, причем каждая следующая камера уточняет положение поверхности, сформированной с помощью предыдущей камеры.It can be shown that, under conditions (4) - (6), the membership of active pixels for each camera C m (m = 2, ... n) is easily determined based on the analysis of data from cameras C m and C m-1 and, therefore, is determined geometry of the surface of the object, with each subsequent camera refining the position of the surface formed by the previous camera.

С учетом вышеизложенного, способ дистанционного обмера подвижных объектов, при наличии, например, трех камер осуществляют следующим образом (Фиг. 3).In view of the foregoing, the method of remote measurement of moving objects, in the presence of, for example, three cameras is as follows (Fig. 3).

С помощью импульсного проецирующего устройства P создают постоянную подсветку пространства обмера, отображающуюся на RF в виде регулярного массива параллельных контрастных линий толщины d и шагом D. Первую регистрирующую камеру C1 располагают на расстоянии a1 от проектора, оно определяется из (4) при заданном значении Zmax. Чем больше величина Zmax, тем меньше должно быть a1. Две другие камеры располагают так, чтобы выполнялись условия (5). Такт съемки производят одновременно тремя камерами и результат подают на вычислительное устройство, где вначале определяют грубое положение поверхности на основе данных камеры C1. Затем на основе данных о построенной поверхности и данных следующей камеры C2 строят новое, уточненное положение поверхности. И, наконец, на основе данных камеры C3 производят окончательную, корректировку поверхности.Using a pulsed projection device P, a constant illumination of the measurement space is created, displayed on the RF as a regular array of parallel contrasting lines of thickness d and step D. The first recording camera C 1 is located at a distance a 1 from the projector, it is determined from (4) at a given value Z max . The larger the value of Z max , the less should be a 1 . Two other cameras are positioned so that conditions (5) are satisfied. The shooting cycle is carried out simultaneously by three cameras and the result is fed to a computing device, where the rough surface position is first determined based on camera data C 1 . Then, based on the data on the constructed surface and the data of the next camera C 2, a new, refined surface position is built. And finally, based on the data from the C 3 camera, a final, surface correction is performed.

При заданной точности, необходимое количество камер тем меньше, чем больше величина отношения D/d.With a given accuracy, the required number of cameras is the smaller, the greater the ratio of D / d.

Предлагаемый способ может использоваться в различных технологических процессах с целью визуализации, математического моделирования и физического воспроизведения геометрии движущихся трехмерных объектов, а также в компьютерных играх для распознавания движения.The proposed method can be used in various technological processes for the purpose of visualization, mathematical modeling and physical reproduction of the geometry of moving three-dimensional objects, as well as in computer games for motion recognition.

Claims (1)

Способ дистанционного измерения подвижных объектов, заключающийся в проецировании с помощью импульсного источника на измеряемый объект неизменяемого во времени светового рисунка, регистрации этого рисунка фото приемным устройством за один такт съемки и передаче его на вычислительное устройство для определения координат измеряемой поверхности, отличающийся тем, что с целью увеличения точности и надежности измерений, световой рисунок представляет собой регулярную сетку параллельных контрастных линий толщиной d и шагом D, фото приемное устройство состоит из нескольких камер, смещенных относительно источника света вдоль фиксированной оси, и производящих синхронную съемку поверхности, причем смещение первой камеры таково, что величина отклонения проекций линий для указанной камеры не превышает величины D-d, и отношение смещения каждой следующей камеры к смещению предыдущей не превышает определенной фиксированной величины, а вычислительное устройство проводит простой сравнительный анализ данных с этих камер, на основании чего определяет координаты поверхности.A method for remote measurement of moving objects, which consists in projecting a time-invariable light pattern using a pulsed source onto a measured object, registering this picture with a photo by a receiving device for one clock cycle and transmitting it to a computing device to determine the coordinates of the measured surface, characterized in that increase the accuracy and reliability of measurements, the light pattern is a regular grid of parallel contrast lines of thickness d and step D, photo receiving The device consists of several cameras displaced relative to the light source along a fixed axis, and performing simultaneous surface surveys, the shift of the first camera being such that the deviation of the projections of the lines for the specified camera does not exceed the value of Dd, and the ratio of the displacement of each subsequent camera to the displacement of the previous exceeds a certain fixed value, and the computing device performs a simple comparative analysis of data from these cameras, on the basis of which it determines the coordinates of the surface.
RU2014120198A 2014-05-20 2014-05-20 Method of remote measurement of moving objects RU2649420C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120198A RU2649420C2 (en) 2014-05-20 2014-05-20 Method of remote measurement of moving objects

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014120198A RU2649420C2 (en) 2014-05-20 2014-05-20 Method of remote measurement of moving objects

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2014120198A RU2014120198A (en) 2015-11-27
RU2649420C2 true RU2649420C2 (en) 2018-04-03

Family

ID=54753332

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014120198A RU2649420C2 (en) 2014-05-20 2014-05-20 Method of remote measurement of moving objects

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2649420C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2699904C1 (en) * 2018-11-30 2019-09-11 Яков Борисович Ландо Three-cycle phase 3-d scanner with two chambers
RU2701440C1 (en) * 2018-11-01 2019-09-26 Яков Борисович Ландо Five-stroke phase 3-d scanner

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2706806C2 (en) * 2017-05-22 2019-11-21 Яков Борисович Ландо Method for non-contact measurement of three-dimensional objects using a shadow from a thin rod or thread

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6509973B2 (en) * 2000-03-31 2003-01-21 Minolta Co., Ltd. Apparatus for measuring three-dimensional shape
US6953151B2 (en) * 1999-06-07 2005-10-11 Metrologic Instruments, Inc. Planar laser illumination and imaging (pliim) based camera system for automatically producing digital linear images of a moving object, containing pixels having a substantially square aspect-ratio independent of the measured range and/or a velocity of said moving object
RU2365876C2 (en) * 2007-07-18 2009-08-27 Яков Борисович Ландо Method of noncontact sensing of three-dimensional objects
CN102297658B (en) * 2011-05-20 2013-04-24 南京航空航天大学 Three-dimensional information detection method based on dual laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6953151B2 (en) * 1999-06-07 2005-10-11 Metrologic Instruments, Inc. Planar laser illumination and imaging (pliim) based camera system for automatically producing digital linear images of a moving object, containing pixels having a substantially square aspect-ratio independent of the measured range and/or a velocity of said moving object
US6509973B2 (en) * 2000-03-31 2003-01-21 Minolta Co., Ltd. Apparatus for measuring three-dimensional shape
RU2365876C2 (en) * 2007-07-18 2009-08-27 Яков Борисович Ландо Method of noncontact sensing of three-dimensional objects
CN102297658B (en) * 2011-05-20 2013-04-24 南京航空航天大学 Three-dimensional information detection method based on dual laser

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2701440C1 (en) * 2018-11-01 2019-09-26 Яков Борисович Ландо Five-stroke phase 3-d scanner
RU2699904C1 (en) * 2018-11-30 2019-09-11 Яков Борисович Ландо Three-cycle phase 3-d scanner with two chambers

Also Published As

Publication number Publication date
RU2014120198A (en) 2015-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP7254903B2 (en) Depth-measuring assembly with structured light source and time-of-flight camera
JP6621836B2 (en) Depth mapping of objects in the volume using intensity variation of light pattern
EP3552180B1 (en) Distance sensor including adjustable focus imaging sensor
US9098909B2 (en) Three-dimensional distance measurement apparatus, three-dimensional distance measurement method, and non-transitory computer-readable storage medium
US20120281087A1 (en) Three-dimensional scanner for hand-held phones
EP2568253B1 (en) Structured-light measuring method and system
JP5633058B1 (en) 3D measuring apparatus and 3D measuring method
JP2012058076A (en) Three-dimensional measurement device and three-dimensional measurement method
JPWO2006013635A1 (en) Three-dimensional shape measuring method and apparatus
KR20130032368A (en) Three-dimensional measurement apparatus, three-dimensional measurement method, and storage medium
KR20130037152A (en) Method and apparatus for obtaining depth information using optical pattern
CN109426818B (en) Device for identifying an object outside a line of sight
JP2015184056A (en) Measurement device, method, and program
CN105306922A (en) Method and device for obtaining depth camera reference diagram
RU2649420C2 (en) Method of remote measurement of moving objects
US20220155056A1 (en) Three-dimensional shape measuring apparatus, three-dimensional shape measuring method, program, and storage medium
JP2015197744A5 (en)
JP2009198241A (en) Instrument
US10801834B2 (en) Fringe projection for determining topography of a body
US20160349045A1 (en) A method of measurement of linear dimensions of three-dimensional objects
JP2012160063A (en) Sphere detection method
JP2016065785A (en) Image processor, and method and program for image processing
JP2016038669A (en) Projection image generation device, projection image generation program and projection image generation method
JP2006308452A (en) Method and apparatus for measuring three-dimensional shape
JP2022128087A (en) Measurement system and measurement program

Legal Events

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

Effective date: 20190521