RU2779703C1 - Видеограмметрическая система для определения собственных координат по трем источникам света - Google Patents
Видеограмметрическая система для определения собственных координат по трем источникам света Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779703C1 RU2779703C1 RU2022100033A RU2022100033A RU2779703C1 RU 2779703 C1 RU2779703 C1 RU 2779703C1 RU 2022100033 A RU2022100033 A RU 2022100033A RU 2022100033 A RU2022100033 A RU 2022100033A RU 2779703 C1 RU2779703 C1 RU 2779703C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- light sources
- coordinates
- directions
- unit
- determining
- Prior art date
Links
- 230000004397 blinking Effects 0.000 claims description 5
- 238000010191 image analysis Methods 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 1
- 241000566515 Nedra Species 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000004148 unit process Methods 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и может быть использовано для решения задач навигации и ориентирования в пространстве. Заявленная система для определения собственных координат по трем источникам света содержит: три цифровые видеокамеры, размещённые на штативе с трегером вдоль вертикальной оси вращения; блок поворота видеокамер, обеспечивающий независимое вращение видеокамер вокруг вертикальной оси; контроллер; блок обработки видеоизображений; вычислительный блок; блок обмена данными. Направление вектора главной оптической оси видеокамер определяется с помощью оптических энкодеров на оси платформы. Конструкция системы позволяет обнаруживать источники света, идентифицировать их по частоте мигания, измерять углы между направлениями на них и определять собственные координаты в зоне прямой видимости источников света. Технический результат заключается в одновременном автоматическом отслеживании до трех источников света, размещённых на известном расстоянии друг от друга, измерении углов между направлениями на них и определении в режиме реального времени собственных координат в локальной системе координат источников света. 4 ил.
Description
Изобретение относится к области информационно-измерительных систем и может быть использовано в целях навигации для определения собственных координат и ориентирования в локальной системе координат, образованной тремя равноудаленными друг от друга источниками света, мигающими с заданными частотами.
Известен геодезические прибор – электронный тахеометр [1], предназначенный для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов, который может быть использован для определения собственных координат методом обратной однократной угловой засечки, путем измерения углов между направлениями на три опорных пункта с известными координатами.
Недостатками этого прибора являются необходимость в предварительном определении координат каждого опорного пункта, отсутствие у тахеометра способности автоматически обнаруживать и отличать эти пункты друг от друга, а также длительное время определения собственных координат, обусловленное неспособностью тахеометра одновременно измерять углы между несколькими направлениями на опорные пункты. Кроме этого, для обнаружения отражательных призм, которыми обозначают опорные пункты, в тахеометре используется источник лазерного излучения не безопасный для органов зрения человека.
Наиболее близким к предлагаемой системе является фотограмметрическая система для определения параметров геометрии рельсовой колеи [2], состоящая из штатива с трегером, обеспечивающим горизонтирование закрепляемой на нем двухосевой платформы, на которой размещены цифровая фотокамера и лазерный дальномер. Направление главной оптической оси фотокамеры определяется с помощью абсолютных оптических энкодеров, находящихся на осях платформы. Данная система обнаруживает визирные цели и определяет их координаты. При этом отслеживание визирных целей и наведение производится системой автоматически в режиме реального времени. Недостатком этой системы является отсутствие способности идентификации визирных целей и одновременного отслеживания нескольких визирных целей, что не позволяет использовать её для определения собственных координат в режиме реального времени.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении возможности автоматически отслеживать одновременно до трех источников света, которые размещены на известном расстоянии друг от друга, измерении углов между направлениями на них и определении в режиме реального времени собственных координат в локальной системе координат, образованной этими источниками света.
Технический результат достигается благодаря размещению на гиростабилизированной платформе вдоль вертикальной оси вращения трех цифровых видеокамер, последовательно соединенных с блоком поворота видеокамер, блоком анализа видеоизображений, вычислительным блоком, контроллером и блоком обмена данными, объединенных в единую систему. Блок поворота видеокамер, обеспечивает независимое вращение видеокамер вокруг вертикальной оси. Направление вектора главной оптической оси этих видеокамер определяется с помощью оптических энкодеров, находящихся на оси платформы. Такая конструкция системы позволяет обнаруживать источники света, идентифицировать их по частоте мигания, измерять углы между направлениями на них и определять собственные координаты в зоне прямой видимости трех источников света, размещаемым на горизонтальной плоскости, на равном расстоянии друг от друга и излучающим видимый свет с известными частотами мигания. При этом собственные координаты определяются из системы уравнений:
где b – базисное расстояние между источниками света;
λ1 – горизонтальный угол между направлениями на первый и второй источники света;
λ2 – горизонтальный угол между направлениями на второй и третий источники света;
ω – дирекционный угол;
θ – зенитный угол.
Свойство, появляющееся у заявляемой системы – определение собственных локальных координат относительно трех источников света с неизвестными координатами, равноудаленных друг от друга на известное расстояние. При этом координаты системы определяются из любой точки пространства, в пределах прямой видимости этих источников света.
Сущность изобретения поясняется с помощью чертежей, где на фиг. 1 представлена принципиальная схема определения локальных координат видеограмметрической системы, на фиг. 2 изображен внешний вид видеограмметрической системы на штативе, на фиг. 3 представлена функциональная схема видеограмметрической системы, на фиг. 4 приведены графики погрешностей определения собственных координат видеограмметрической системой.
Видеограмметрическая система 2 содержит: три цифровые видеокамеры 3, блок поворота видеокамер 4, контроллер 5, блок обработки видеоизображений 6, вычислительный блок 7, блок обмена данными 8.
Определение собственных координат видеограмметрической системы осуществляется следующим образом. Источники света размещаются в горизонтальной плоскости на равном расстоянии друг от друга. Они образуют локальную систему координат XYZ с началом координат O в геометрическом центрe этих источников света (фиг. 1). При этом ось OX данной системы координат проходит через центр одного из источников света. Каждый источник света Vi имеет отличительную частоту мигания νi (где i – индекс источника света), излучая видимый свет в заданном диапазоне длин электромагнитных волн.
Видеограмметрическая система 2 устанавливается на штативе 10 с трегером 9 в произвольной точке пространства (фиг. 2), в зоне прямой видимости источников света 1. Управление видеограмметрической системой (фиг. 3) выполняется дистанционно по беспроводному каналу связи с помощью блока обмена данными 7. Поиск источников света 1 осуществляется автоматически с помощью контроллера 5, управляющим блоком поворота видеокамер 4, который изменяет направления обзора видеокамер 3 с угловым шагом, не превышающим их углы обзора. При попадании источника света 1 в поле зрения одной из видеокамер 3 полученное цифровое видеоизображение источника света поступает в блок обработки видеоизображений 6, где производится его идентификация. В вычислительном блоке 7 измеряются углы направления на источник света. Контроллер 5 обеспечивает одновременное отслеживание до трех источников света 1 в режиме реального времени. После обнаружения и идентификации трех источников света 1, по измеренным углам направлений на них, вычислительный блок 7 определяет собственные координаты видеограмметрической системы 2. Полученные результаты передаются по беспроводному каналу связи приемному устройству с помощью блока обмена данными 8. Определение собственных координат видеограмметрической системы производится по следующему алгоритму.
Вначале выполняется поиск источников света посредством изменения направления обзора видеокамер ψ0. Блок анализа видеоизображений обрабатывает цифровые видеоизображения, поступающие с видеокамер, и обнаруживает на них источников света по таким визуальным признакам, как форма источника света, цвет излучаемого им видимого света, частота мигания. Для идентификации источников света определяется частота изменения яркости пикселов на видеоизображении. За период времени идентификации t обрабатывается N кадров с изображением источника света Vi, яркость пикселов которого выражается функцией . Частота W изменения яркости пиксела на видеоизображении определяется как количество значимых изменений яркости за этот период:
На видеоизображении фиксируются только те координаты пикселов (x, y), при которых значения частоты совпадают со значениями из заданного набора частот мигания источников света (ν1, ν2 ν3). В процессе цифровой обработки изображения выделяется множество Θ, состоящее из n связанных друг с другом пикселов, цвет и частота изменения яркости которых находятся в заданных диапазонах значений. Координаты источника света на изображении (xΘ, yΘ) определяются как среднее арифметическое значение координат (xi, yi) составлявших его пикселов:
После обнаружения и идентификации всех источников света по их частоте мигания (ν1, ν2 ν3) вычисляется угловое положение этих источников света, задаваемое вертикальным углом ω и горизонтальным углом ψ. Для этого все источники света представляются в виде циклической последовательности в порядке их обнаружения и вычисляются их горизонтальные углы из выражения:
где xi – абсцисса источника света i на изображении;
f – фокусное расстояние видеокамеры.
Далее вычисляется модуль разности между горизонтальными углами для каждой пары источников света в этой последовательности:
Затем данная последовательность упорядочивается путём нахождения индекса первого элемента, имеющего наибольшее значение модуля разности горизонтальных углов с помощью условия:
В результате получают упорядоченный кортеж источников света . Тогда λ1 и λ2 будут обозначать горизонтальные углы и между направлениями на эти источники света, соответственно. Дирекционный угол источника света V1 в полученном кортеже вычисляется из выражения:
После этого определяется плановое положение видеограмметрической системы из системы уравнений:
Вертикальные углы источников света определяются из выражения:
где yi – ордината источника света i на изображении.
Зенитный угол θ видеограмметрической системы находится из выражения:
где θi – вертикальный угол;
Xi, Yi – координаты источников света:
Высотное положение видеограмметрической системы определяется из выражения:
Для примера видеограмметрическая система комплектовалась тремя беспроводными цифровыми видеокамерами с типом сенсора CMOS, обладающими следующими техническими характеристиками: разрешение 1280x960 рх, фиксированное фокусное расстояние объектива видеокамер 4.4 мм, угол обзора 60°, частота смены кадров видеоизображения 30 Гц. Также использовались три источника света с разными частотами мигания (4, 8, 12 Гц), которые были установлены в горизонтальной плоскости на базисном расстоянии друг от друга b = 10 м. Произведена оценка погрешностей определения собственных локальных координат видеограмметрической системы (ΔX, ΔY, ΔZ) в радиусе r от начала координат (фиг. 4).
Источники информации
1. Справочник геодезиста. Книга 2 / Под ред. В. Д. Большакова и Г. П. Левчука. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1985. – 440 c.
2. Патент РФ № 2686341, МПК B61K 9/08, на изобретение «Способ определения параметров геометрии рельсовой колеи и система для его осуществления».
Claims (7)
- Видеограмметрическая система для определения собственных координат по трём источникам света, состоящая из трёх цифровых видеокамер, последовательно соединенных с блоком поворота видеокамер, блоком анализа видеоизображений, вычислительным блоком, контроллером и блоком обмена данными, объединенным в единую систему, отличающуюся тем, что видеокамеры установлены на штативе с трегером вдоль одной вертикальной оси вращения, позволяя в режиме реального времени определять собственные координаты системы в зоне прямой видимости трёх источников света, расположенным на горизонтальной плоскости, на равном расстоянии друг от друга и излучающим видимый свет с известными частотами мигания, при этом собственные координаты определяются из системы уравнений:
- где b – базисное расстояние между источниками света;
- λ1 – горизонтальный угол между направлениями на первый и второй источники света;
- λ2 – горизонтальный угол между направлениями на второй и третий источники света;
- ω – дирекционный угол;
- θ – зенитный угол.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2779703C1 true RU2779703C1 (ru) | 2022-09-12 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2551396C1 (ru) * | 2013-11-06 | 2015-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ бесконтактных измерений геометрических параметров объекта в пространстве и устройство для его осуществления |
RU2601402C2 (ru) * | 2015-01-12 | 2016-11-10 | Анна Евгеньевна Авдюшина | Устройство для измерения координат и распознавания объектов в распределенной системе акустического и видеонаблюдения |
US20170094251A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-03-30 | Faro Technologies, Inc. | Three-dimensional imager that includes a dichroic camera |
EP1710750B1 (en) * | 2005-04-06 | 2017-05-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for measuring position and orientation |
RU2645432C1 (ru) * | 2016-12-06 | 2018-02-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ калибровки видеограмметрических систем и контрольное приспособление для его осуществления |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1710750B1 (en) * | 2005-04-06 | 2017-05-31 | Canon Kabushiki Kaisha | Method and apparatus for measuring position and orientation |
RU2551396C1 (ru) * | 2013-11-06 | 2015-05-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ бесконтактных измерений геометрических параметров объекта в пространстве и устройство для его осуществления |
RU2601402C2 (ru) * | 2015-01-12 | 2016-11-10 | Анна Евгеньевна Авдюшина | Устройство для измерения координат и распознавания объектов в распределенной системе акустического и видеонаблюдения |
US20170094251A1 (en) * | 2015-09-30 | 2017-03-30 | Faro Technologies, Inc. | Three-dimensional imager that includes a dichroic camera |
RU2645432C1 (ru) * | 2016-12-06 | 2018-02-21 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ калибровки видеограмметрических систем и контрольное приспособление для его осуществления |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111521161B (zh) | 确定到目标的方向的方法、勘测装置和机器可读载体 | |
AU711627B2 (en) | Method and device for rapidly detecting the position of a target | |
CN110850429B (zh) | 自动训练锁定对象或人基于摄像头跟踪目标的勘测装置 | |
US20070103671A1 (en) | Passive-optical locator | |
US11629957B2 (en) | Surveying apparatus | |
US9618340B2 (en) | Surveying instrument | |
US10508914B2 (en) | Device for automatically finding a mobile geodetic target object | |
US9797719B2 (en) | Measuring method and measuring instrument | |
CN104101872A (zh) | 用大地测量精确单点确定和扫描对物体进行表面确定 | |
CN114838668B (zh) | 一种隧道位移监测方法及系统 | |
CN105676884A (zh) | 一种红外热成像搜索跟踪瞄准的装置及方法 | |
CN101852857B (zh) | 测量装置和自动跟踪方法 | |
US6611664B2 (en) | Stereo image photographing system | |
US10713527B2 (en) | Optics based multi-dimensional target and multiple object detection and tracking method | |
RU2016145621A (ru) | Способ одновременного измерения вектора скорости летательного аппарата и дальности до наземного объекта | |
JP2001296124A (ja) | 3次元座標計測方法及び3次元座標計測装置 | |
JPH1019562A (ja) | 測量装置および測量方法 | |
RU2779703C1 (ru) | Видеограмметрическая система для определения собственных координат по трем источникам света | |
RU2523446C2 (ru) | Способ автоматизированного определение координат беспилотных летательных аппаратов | |
CN105592294A (zh) | 一种vsp激发炮群的监控系统 | |
RU126846U1 (ru) | Устройство пеленгации и определения координат беспилотных летательных аппаратов | |
RU2685761C1 (ru) | Фотограмметрический способ измерения расстояний вращением цифрового фотоаппарата | |
KR100913165B1 (ko) | 이동체의 위치 검출 장치 및 방법 | |
RU2769637C1 (ru) | Способ определения собственных координат по трем визирным целям и видеограмметрическая система для его осуществления | |
RU2667343C1 (ru) | Способ бесконтактного измерения угловой ориентации объекта |