WO2022164337A1 - Способ измерения местоположения и удаления светового стимула - Google Patents

Способ измерения местоположения и удаления светового стимула Download PDF

Info

Publication number
WO2022164337A1
WO2022164337A1 PCT/RU2021/000052 RU2021000052W WO2022164337A1 WO 2022164337 A1 WO2022164337 A1 WO 2022164337A1 RU 2021000052 W RU2021000052 W RU 2021000052W WO 2022164337 A1 WO2022164337 A1 WO 2022164337A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
matrix
detector
value
photosensitive
detectors
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/000052
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Олег Александрович СЕРЕБРЕННИКОВ
Original Assignee
Олег Александрович СЕРЕБРЕННИКОВ
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 Олег Александрович СЕРЕБРЕННИКОВ filed Critical Олег Александрович СЕРЕБРЕННИКОВ
Priority to PCT/RU2021/000052 priority Critical patent/WO2022164337A1/ru
Publication of WO2022164337A1 publication Critical patent/WO2022164337A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/02—Details
    • G01C3/06—Use of electric means to obtain final indication
    • G01C3/08—Use of electric radiation detectors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C3/00—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders
    • G01C3/10—Measuring distances in line of sight; Optical rangefinders using a parallactic triangle with variable angles and a base of fixed length in the observation station, e.g. in the instrument
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T1/00—General purpose image data processing
    • G06T1/20—Processor architectures; Processor configuration, e.g. pipelining

Definitions

  • the scope of the invention are monocular and binocular Systems of Technical Vision.
  • the orthogonal shape of the convolution kernel is related to the use of linear algebra, which operates on rectangular matrices, as well as to the orthogonal packing of photosensitive arrays and pixels in digital image formats.
  • linear algebra which operates on rectangular matrices, as well as to the orthogonal packing of photosensitive arrays and pixels in digital image formats.
  • VS work of all known VS is based in one way or another on the use of LiDAR sensors and deep neural networks, which provide object recognition in scene.
  • LiDAR sensors are expensive, and deep networks are incomprehensible to people.
  • the use of VS in unmanned vehicles and other VS applications associated with possible harm to human health or life require the “explainable” operation of VS systems.
  • the eye has an angular resolution of about 1' - 2'. Since the resolution corresponds to a distance of two pixels, then for a resolution of 2' it is necessary that there are 1' per pixel, which corresponds to 60 pixels per 1°.
  • the retina has a multilayer structure of neurons, the functions of which are not fully understood. Also unclear are facts like separation of nerve fibers in the chiasm and separate processing of the left and right parts of the image in the LCT and other features of image processing by the brain.
  • the simplest way to calibrate the location of pixels in the image analysis coordinate system is to project the coordinate system onto the matrix, namely, use a calibration beam to calibrate the location on the matrix of at least one point of the image analysis coordinate system.
  • the matrix is illuminated with a beam the size of a point in the image analysis coordinate system, and the coordinates of the point to be illuminated are preselected in the image analysis coordinate system and stored.
  • the illumination of the pixels of the matrix is measured and analyzed in order to identify the pixels illuminated by the named beam, and the position of the identified pixels on the matrix is assigned the value of the coordinates of the named point.
  • the projection of the image analysis coordinate system onto the matrix can change (dynamic coordinate system) or be constant (static coordinate system).
  • the use of a static coordinate system to create a binocular technical vision system will require two light-sensitive matrices, since the convergence / divergence of the left and right visual fields requires a change in the angle of view of each of the fields, and, as a result, the distance between the fields of view. It is also possible to model binocular vision by projecting both coordinate systems (right and left) onto one matrix, however, modeling convergence / divergence will require the use of a dynamic image analysis coordinate system for the left and right visual fields in this case.
  • the advantage of the dynamic coordinate system is the speed of operation, low cost and reliability, since the rotation or displacement of the coordinate system does not require physical movement of the photosensitive matrix and does not require the use of physical drives.
  • the advantages of a static field over a dynamic one are to reduce the influence of the aperture on the quality of measurements, to provide more correct measurement of convergence/divergence due to the physical displacement of the optical axes of the arrays.
  • the dynamic coordinate system of image analysis can have an advantage at long distances, and the static one at short ones.
  • the impact of a light stimulus on the matrix is considered to be a change in the illumination of one or more light-sensitive elements of the light-sensitive matrix, in which the measured illumination value changes by a given value, a multiple of the illumination measurement error, for a given period of time, a multiple of the minimum available illumination measurement time.
  • the receptive zone is equipped with a memory M, as well as an adder for the illumination of the light-sensitive elements of the receptive zone, and the value of the activation threshold of the adder (sensitivity threshold) is stored in the memory M.
  • the detectors are placed on a photosensitive matrix or without overlap, or with partial overlap, or with full overlap of the detectors.
  • the overlap is necessary to accommodate different detectors in one place.
  • a light stimulus is projected to any place of the measuring field, and from the memory of the receptive zone, which was affected by the stimulus, the value of the area of the named zone S t is extracted, which is used to calculate the mark i of the scale of the named coordinate axis.
  • Each of the detectors is adjusted in such a way that when it is exposed to a light stimulus, the detector generates such a value of the measured characteristic of the detector signal (potential) that is equal to or proportional to the value of the dial mark at the location of the detector with a proportionality coefficient.
  • the value of the potential generated by the detector located on the measuring circle, which was affected by the light stimulus is considered either the value of the polar angle mark of the location of the light stimulus on the circular scale or proportional to the named value of the polar angle c coefficient of proportionality k, and the value of the polar angle between the locations of two light stimuli on the measuring circle is equated either to the potential difference of the detectors that were affected by light stimuli or to the potential difference of the detectors with the proportionality coefficient k.
  • a circle is placed on the photosensitive matrix with a circular scale located on it with marks of the polar angle, whose center is at the center of the circle.
  • the centers of the receptive zones are placed in the scale marks, and the receptive zones themselves, sensitive to changes in illumination, create a preferred round (Fig.15) or other shape (Fig.37, Fig.38, Fig.39).
  • the value of the Selected Direction is stored.
  • the value of the Selected Direction is extracted from the zone memory and the named value i is calculated. To do this, sum up the number of consecutive adjacent receptive zones, including the Terminal, located in the Selected Direction. The summation ends when the Terminal Zone is reached.
  • the size of the angle between the receptive zone of the projection of the stimulus onto the matrix and the terminal zone is calculated by multiplying the resulting sum i by the size of the angle Dp separating adjacent zones of the dimensional circle.
  • a dimensional circle with detectors placed on it is placed on the photosensitive matrix and used as the main dimensional circle.
  • main dimensional circle many copies are created, and as the radius for each of the successive copies of the main dimensional circle, the value of successive marks of the scale of the main coordinate axis, which was used to create the main dimensional circle, is selected.
  • Each of the copies of the main dimensional circle is placed on a photosensitive matrix so that the center of the circle of the copy coincides with the center of the main dimensional circle, that is, so that the plurality of dimensional circles are concentric.
  • the field of dimensional circles is used to measure the values of the polar angle. When exposed to a light stimulus on a specific detector, the center of which coincides with the scale mark of the main dimensional circle or any of its copies, the generated value of the detector potential is extracted and the value of the polar angle corresponding to this potential is calculated.
  • a system of concentric measuring circles is created on the matrix (Fig.28 and Fig.29), the bowl marks of each circle are placed on the radius at the points of its intersection with each of the circles and the centers of the receptive zones are located at the same points , and the receptive zones themselves create the same or different area of the preferred round or other shape.
  • the value of the Selected Direction is stored.
  • the value of the Selected Direction is extracted from the zone memory and the named value i is calculated.
  • Angle size between the receptive zone of the projection of the stimulus onto the matrix and the terminal zone is calculated by multiplying the resulting sum I by the size of the angle D$r separating adjacent zones of the dimensional circle j.
  • a dimensional circle is used formed by four dimensional segments pairwise symmetrical about two axes of symmetry and together forming a dimensional circle (Fig.26 and Fig.27).
  • each of the quarters has a scale for measuring angles within n/2 radians: the right and left upper quarters are equipped with an angle measurement scale in the range 0 ⁇ ITA ⁇ + , and the right and left lower quarters are equipped with an angle measurement scale in the range 0 ⁇ p ⁇ - . Due to the presence of measured quarters, detectors that are symmetrical about the vertical and horizontal axes have the same potentials.
  • symmetrical detectors are shaded.
  • the ego makes it possible to detect symmetry not only by measuring angles, but also by comparing the potentials of the detectors that are affected by stimuli.
  • a pair of halves of a dimensional circle is formed using a pair of dimensional sectors, the central angle of each of which is 180°, or two pairs of quarters of a dimensional circle are formed using two pairs of dimensional sectors, the central angle of each of which is 90°;
  • M store the value of the named potential 5 i ; - receptive zone. At least two stimuli A and B are projected onto the matrix area. Different receptive zones are illuminated with stimuli with S A S g values stored for these receptive zones.
  • a curved line is projected onto the surface of the photosensitive matrix, represented by a light stimulus motionless on the photosensitive matrix.
  • the location on the photosensitive matrix of the center of the polar coordinate system is memorized and in the radial measuring field they are looking for the "minimum" point of the light stimulus, for which the value of the potentials of all stimulus points is measured and the only point with the smallest of the measured potentials is found.
  • Receptive fields adjacent in the radial direction are connected by a physical or logical weighted bond, the weight of which is proportional to the potential of the receptive coordinate angle ⁇ pj or the same for all radial bonds (Fig. 23), and the “total weight” of all bonds lying on the same radius is remembered. All bonds located along the radius between the receptive fields are associated with at least one weight adder.
  • the weights of the connections passed by the “excitation” signal are read and summed, and the sum of the weights is divided by the named “total weight” of all bonds of radius and is used as a measure of the radial size between the receptive fields i and ;.
  • the radius of the rings of the polar coordinate system increases from the center to the periphery, for an arbitrary curve it is possible to choose such a ring of constant potential, the radius of curvature of which coincides with the radius of curvature of the curved line.
  • the operation of the detector is based on the fact that if the named radii coincide, then the set of points of the curved line lie on the ring of equal potentials, and therefore, when the polar system rotates around the center in its own plane, the potential of the points of the curved line in the projection onto the matrix will not change.
  • a ring As well as a linear and angular boundary of a light stimulus, it is convenient to use detectors with annular and central zones.
  • the preferred shape of these detectors is shown in the figure (Fig.36), where 1 is a round zone (also Fig.15), 2 is an annular with a central zone (also Fig.37), 3 is an annular to determine the direction of displacement of the linear boundary (also Fig. .39), 4 - a ring for determining the direction of displacement of the corner boundary (also Fig.38).
  • the central round zone of the annular receptive zone is equipped with an adder of illumination of the light-sensitive elements of the central zone with a threshold activation function, and the value of the activation threshold is stored in the memory M.
  • the outer annular zone of the receptive zone can be divided into two symmetrical or non-symmetrical segments a n b, and the direction can also be chosen, which is used as the main direction of sensitivity of the receptive zone.
  • a direction is selected as the main direction that passes through the center of the receptive zone and bisects each of the segments a and b (Fig.25).
  • the retina of the eye has receptive fields of ON and OFF types, capable of registering spots, the angular size of which coincides with the size of the central zone of the receptive field.
  • OFF fields react to a dark spot, and ON fields to light ones.
  • the receptive fields of the photosensitive matrix can be of the ON or OFF type and register dark spots on a light background (OFF type fields) or light spots on a dark background (ON type fields).
  • the reaction of the spot detector to illumination/darkening of the central part and the periphery is shown for both types of fields in the figure (Fig. 40).
  • the field of detectors is used to recognize spots and/or rings of different sizes.
  • a plurality of spot detectors and/or spot rings of different sizes should be placed on the photosensitive matrix so that the centers of each of the detectors coincide (Fig. 42).
  • the center of the detectors is the center of the polar coordinate system or the mark of the scale of the main coordinate axis or its copy.
  • a plurality of smaller detector photosensitive elements are a subset of larger detector photosensitive elements. Since the data of any photosensitive element of the smallest detector is needed for the simultaneous operation of all detectors of a larger size, the data from each photosensitive element is transmitted for analysis to the decision-making algorithms of different detectors.
  • a point is selected to locate the centers of detectors of the field of detectors (hereinafter referred to as Field Detectors), then a plurality of Detectors are created, each of which contains two concentric circles of the required size, and the radius of the inner circle of each Detector differs from the radius of the inner circle of other Detectors of the set by at least the value Dr and the radius of the outer circle of each of the Spot and/or ring Detectors or differs from the radius of the outer circle of the other Detectors of the set by at least D 2 or is for all Spot Detectors and/or rings are the same, all Field Detectors are projected onto a photosensitive matrix centered on the selected point; when using the field of detectors, a light stimulus is projected onto the detectors of the set, illumination measurements are carried out simultaneously for each of the detectors of the set separately, and the decision on the presence of a spot and/or ring
  • a spot in the form of a regular polygon is projected onto the measurement zone - the inner circle of the Spot Detector in such a way that the corners of the polygon touch the boundary of the inner circle, the measured number of single values of the measurement zone is divided by the number of all photosensitive elements of the measurement zone, and based on the result of division, a conclusion is made about the possible number sides of the polygon.
  • a linear boundary detector can be used.
  • a point is selected, which is used as the center of two concentric circles - external and internal (Fig.44 and Fig.45)
  • the main direction is determined, and to measure the angle between the main direction and the direction of displacement light stimulus (hereinafter referred to as the offset angle) use the measurement zone and the measurement off zone.
  • the central zone is used as the measurement cutoff zone, and the measurement zone is created as follows: with a diameter forming a right angle with the main direction, the annular zone is divided into two half rings and the half ring that serves as the entrance to the main direction is used as the measurement zone, and the semi ring serving as the main direction of the exit, do not use.
  • the value of the reference illumination of the photosensitive elements of the detector and the number of all photosensitive elements of the annular zone are measured and stored, and some “critical” value of the number or proportion of photosensitive elements of the zone of the measurement switch is selected and memorized.
  • the current value of the illumination of the photosensitive elements of the detector is measured, and when the difference between the reference and current values of the illumination of a particular photosensitive element of the measurement zone or the measurement off zone exceeds at least the value the sensitivity of the named photosensitive element, such a photosensitive element is assigned the value "unit"; all assigned single values are summarized separately for the measurement zone and the measurement off zone until the moment when the sum of the single values of the measurement off zone is equal to or greater than the named critical number or the named critical fraction of photosensitive elements.
  • the sum of unit values of the active zone is divided by the number of all photosensitive elements of the annular zone and multiplied by 2n, and the result is considered as the value in radians of the angle y enclosed between the main direction of the detector and the direction of displacement of the light stimulus, the shape of which is a linear boundary.
  • the circular detector makes it possible to more accurately measure the boundary offset angle in the desired range of angles by placing multiple detectors with different principal directions and averaging the boundary offset angle values measured with them (FIG. 46 and FIG. 47). Measurements are carried out for each Detector from a plurality of detectors separately in order to clarify the angle y of the displacement of the linear boundary and its presence.
  • intersection angles of any pair of adjacent principal directions from the plurality are preferably made equal.
  • Circular detectors of the appropriate potential are used as the detectors of the first dimensional field and the second dimensional field, as well as the detectors of the field of dimensional circles and the radial dimensional field, and the reference direction for all circular detectors is chosen the same to form the "reference field direction".
  • the angular boundary displacement detector differs from the linear boundary detector in the form of a larger area of the measurement zone, which is achieved by dividing the annular zone not by diameter, but by radii so that the central angle of the measurement zone is greater than n radian.
  • the measurement zone and the measurement off zone are used, and the central zone of the detector is used as the measurement off zone.
  • the value of the reference illumination of the photosensitive elements of the photosensitive matrix and the number of all photosensitive elements of the annular zone of the detector are measured and stored, and the “critical” value of the number or proportion of photosensitive elements of the zone for switching off measurements is selected and stored.
  • the current illumination value of the photosensitive elements is measured, and when the difference between the reference and current illumination values of a particular photosensitive element of the measurement zone or the measurement off zone exceeds at least the sensitivity value of the named photosensitive element, such a photosensitive element is assigned the value "unit ". All assigned “single” values are summarized separately for the measurement zone and the measurement off zone until the moment when the sum of single values of the measurement off zone is equal to or greater than the named critical number or the named critical fraction of photosensitive elements.
  • the circular detector makes it possible to more accurately measure the boundary offset angle in the desired range of angles by placing multiple detectors with different principal directions and averaging the boundary offset angle values measured with them (FIG. 50 and FIG. 51). Measurements are carried out for each Detector from a plurality of detectors separately in order to clarify the angle y of the displacement of the linear boundary and its presence.
  • intersection angles of any pair of adjacent principal directions from the plurality are preferably made equal.
  • Circular detectors of the appropriate potential are used as the detectors of the first dimensional field and the second dimensional field, as well as the detectors of the field of dimensional circles and the radial dimensional field, and the reference direction for all circular detectors is chosen the same to form the "reference field direction".
  • the set of angles (urYg.Uz" -. y p ) or ( ⁇ , ⁇ 2, ⁇ > 3 , ... , ⁇ p p ⁇ ) is used as the coordinates of the vector N of the digital description of a broken open or closed line.
  • a light stimulus is projected onto a photosensitive matrix in the form of a line having both angles, and the light stimulus is shifted in the named measurement fields, measurements are taken and a set of values of the tilt angles formed by the named the reference direction of the field and each of the individual sections of the line (a 1 ,a 2 , ...,a p ), and identify the location of the corners at the joint of the line sections, and as a set of values of the angles of inclination a ,a 2 , ...,a n ') select values that differ from each other by at least the value of the measurement error of the boundary displacement angle A.
  • two or more lines are projected onto the photosensitive matrix as light stimuli, the similarity of which is checked.
  • the lines are projected simultaneously or sequentially.
  • the sequences of differences in the angles of inclination are calculated or (01>0r>->Pp) ⁇ the indicated sequences are compared and, if the digital descriptions of the indicated lines are equal, then a conclusion is made about the similarity of the lines.
  • the distance between the identified locations of the corners in the junction of the sections of each of the lines is additionally measured and, if the measured distances are equal, then the lines located between the identified angles and/or the figures formed by the lines are considered equal.
  • two or more lines are projected onto a photosensitive matrix as light stimuli, for which sequences of inclination angles are calculated and ranked said ranked sequences are compared and, if the digital descriptions of said lines are equal, then such lines and/or their respective portions are considered parallel.
  • a broken closed line is projected onto a photosensitive matrix and, using a broken line angle detector, the size of the displacement angles of the linear boundary (y t , y 2 , y 3 , .... y p ,) of the closed line is measured and the angles ( 1 , 2 , 3 , ..., ⁇ 0 ⁇ ,).
  • the values of each of the angles ( ⁇ p 1d ( 2 , ⁇ p 3 , ..., p ,) of the closed broken line are compared and, if the difference in values does not exceed the known measurement error, then the closed broken line is considered a regular polygon.
  • the polar coordinate center of the matrix is shifted to the vertex of the detected corner.
  • the sides of the corner will turn out to be the radii of the polar coordinate system, crossing each of the potential rings at two points (hereinafter referred to as the "side points").
  • the center of polar coordinates is shifted in any of the directions located between the named side points until the side points of at least one potential ring (hereinafter referred to as the “boundary ring”) merge into one “reference point”, at which one of the sides corner touches the "boundary ring”.
  • the center of polar coordinates is shifted in the direction from the reference point to the center of polar coordinates along the line connecting the reference point and the center of polar coordinates until one of the potential rings is boundary to both sides of the corner.
  • the position of the center of the polar coordinate system is stored as a point lying on the line of symmetry of the angle.
  • the center of polar coordinates is shifted along the symmetry line connecting the corner vertex with the center of the polar coordinate system, and all points lying on this line are remembered as points lying on the symmetry line.
  • the above symmetry line detector algorithm allows the center of polar coordinates to move along the symmetry line all the time being in some neighborhood of this line. Such a movement of the center of the polar coordinates of the photosensitive matrix is similar to the movement of the optical center of the eye along the line of symmetry of the angle.
  • the angle is measured using the detector.
  • measurement of the central angle of the polar system in, and the angle a is calculated by the formula a ⁇ u003d 2mm - c.
  • the areas of adjacent receptive zones can overlap each other, which makes it possible to increase the accuracy of measuring the radius p r on which the stimulus is located by averaging the measurement result.
  • a plurality of N receptive displacement zones of a linear or angular boundary are arranged so that their areas partially or completely overlap, and the zones operate synchronously.
  • at least the measurement off zone be the same for all zones.
  • a "homogeneous field of detectors” is a set of detectors having the same main direction, evenly or non-uniformly placed on the area of the photosensitive matrix with a constant or variable pitch and designed to recognize the same feature. Similar reasoning can be proposed for the detector of any other feature, for example, the displacement of the corner boundary. Since it is not known in advance where in the photosensitive matrix such a feature can appear, it is necessary that the detectors of such a feature be uniformly or unevenly distributed over the area of the matrix with a constant or variable step and could detect the appearance of a feature anywhere in the matrix.
  • the matrix contains a set of homogeneous fields with different main directions of displacement of the corresponding feature.
  • the dimensional field and the field of dimensional circles (or the field of dimensional sectors) used as SCPs will be referred to below as homogeneous drive fields.
  • boundary displacement detectors are used, the main direction of each of which is directed tangentially to the measured circle, on the scale of which the center of the corresponding detector is located, and the main directions of all detectors of the field of measured circles are directed in one direction - or clockwise or counterclockwise.
  • a two-drive system will correspond to two homogeneous drive fields
  • a three-drive matrix system will correspond to three homogeneous matrix drive fields
  • the main direction of one of the homogeneous drive fields must be rotational, since the matrix is flat and has only two dimensions.
  • a rectangular Cartesian SCM corresponding to two matrix drives that shift the matrix in perpendicular directions (vertical and horizontal)
  • a rectangular Cartesian SCM must be represented by two perpendicular main directions (up or down, right or left) or four pairwise perpendicular main directions (up, down, right and left).
  • the displacement vector of the projection of the object on the surface of the photosensitive matrix in a rectangular Cartesian SCM is represented as the sum of the projections of the named vector on the main directions of the dimensional fields of the matrix (Fig. 36).
  • Each of the main directions of the dimensional fields of the Coordinate System of Drives (SCS) of the matrix is preferably represented by the direction of the translational displacement of the stimulus caused by the movement of the actuator of the corresponding drive (Fig.58).
  • the Technical Vision System (VTS) can be equipped with drives for linear and/or rotational movement of the photosensitive matrix. To move the matrix in an arbitrary direction, the vector of such a displacement is represented as the sum of the projections of the named vector onto the main directions of the dimensional fields of the matrix (Fig. 36).
  • the matrix is shifted by sending to each of the drives a shift command corresponding to the scalar value of the projection of the named vector onto the main direction of the corresponding drive.
  • the preferred main directions of said homogeneous popey detectors are the directions corresponding to the drives up, down, right and left, with the up and down collinear directions perpendicular to the right/left collinear directions, and all four named directions form an orthogonal Cartesian coordinate system (Fig. 37) whose directions correspond to or collinear to the directions of the matrix displacement drives.
  • At least one direction of displacement of a fixed light stimulus along the surface of the photosensitive matrix is determined on the matrix, caused by the movement of the actuator of a specific drive of the photosensitive matrix (hereinafter referred to as the “drive direction”), and a dimensional field is created on the matrix (hereinafter referred to as a homogeneous drive field), the direction of the main axis of which is the same as the direction of the drive.
  • the gear ratio of the drive of the photosensitive matrix is calculated as the ratio of the change in the potential of the detectors of the main coordinate axis of the homogeneous field of the drive or its copy, which were affected by a fixed light stimulus before and after the specified linear displacement of the light stimulus along surface of the photosensitive matrix to the corresponding change in the location of the specified drive.
  • DTM"* and ⁇ ““ are the maximum vertical and horizontal displacements of the drive
  • LJ““H LJ““ are the corresponding maximum vertical and horizontal displacements of the stimulus on the matrix, respectively.
  • the present invention proposes a method for image stabilization using the claimed measurement system.
  • the initial location of the matrix corresponding to the zero value of the coordinate axis of the drive location (hereinafter referred to as the “zero mark of the drive”), can be shifted into the matrices so that the distance from the zero mark to the edge of the matrix is equal to .
  • DD the zero mark of the drive
  • the measured coordinates of the stimulus in the Cartesian coordinate system of the drive will be H(L x , L y ), and in the polar coordinate system of the matrix B p, ⁇ p).
  • the drives To return the center of the polar coordinate system to the initial point 0, the projection of which on the X and Y axes coincides with the zero marks of the scale of the named axes, the drives must be moved by the same distances, but with the opposite sign. Such a movement corresponds to a displacement of the center of the polar system by the value of the radius connecting the center of the polar coordinate system and the point O in the direction of the named radius without changing the value of the polar angle. In this case, the value of the radius of the point O in the polar coordinate system decreases to zero.
  • Image stabilization on the matrix is carried out as follows: before shifting the light stimulus on the matrix, the “initial potential” of the detector is measured, which is affected by the light stimulus at its initial location in a homogeneous drive field corresponding to the current location of the drive, and when the light stimulus is shifted, the “final potential” is measured on the matrix. potential” of the detector, which is affected by the light stimulus at its final location in the homogeneous drive field.
  • the initial potential is subtracted from the final potential, and the resulting "potential difference" is divided by the gear ratio of the image sensor drive, and the result is used as the distance of movement of the drive between the current location of the image sensor drive and the location of the image sensor drive, at which the light stimulus will return to its original location in a homogeneous drive field on a photosensitive matrix. If the value of the potential difference is a positive value, then the drive is moved in the direction of the drive, and if the value of the potential difference is a negative value, then the drive is moved in the direction opposite to the direction of the drive.
  • Another way to implement image stabilization is to use as homogeneous drive field detectors linear boundary detectors or angular boundary detectors, the main direction of which coincides with the direction of the main coordinate axis of the homogeneous drive field.
  • measure "initial potential” of the detector which is affected by the light stimulus at its initial location in the homogeneous drive field corresponding to the current location of the drive, and when the light stimulus is shifted on the matrix, the "final potential” of the detector, which is affected by the light stimulus at its final location in the homogeneous drive field.
  • the difference between the initial and final potentials is calculated, the resulting difference is divided by the gear ratio of the photosensitive matrix drive, and the result is used as the distance of movement of the drive between the current location of the photosensitive matrix drive and the location of the photosensitive matrix drive, at which the light stimulus will return to its original location on the photosensitive matrix.
  • the value of the displacement angle of the linear or angular border of the light stimulus is also measured and, if the angle value is within ⁇
  • the field of dimensional circles of the matrix can be used.
  • at least one direction of displacement of a fixed light stimulus is determined along the surface of the photosensitive matrix along a circle with a center fixed on the photosensitive matrix, caused by the movement of the actuator of a specific drive of the photosensitive matrix (hereinafter referred to as the "direction of the drive"), and a field is created dimensional circles (hereinafter referred to as the homogeneous field of the drive), which is placed on a photosensitive matrix so that the center of the field of dimensional circles coincides with the center of the specified circle, and the direction of the drive coincides with the direction of increasing the values of the polar angle; the gear ratio of the photosensitive matrix drive is calculated as the ratio of the change in the potential of the detectors of the main dimensional circle of the homogeneous drive field or its copy, which were affected by a fixed light stimulus before and after the specified displacement of the light stimulus along the
  • the "initial potential” of the detector which is affected by the light stimulus at its initial location in the homogeneous drive field corresponding to the current location of the drive, is measured, and when the light stimulus is shifted, the "final potential” of the detector, which is affected by the light, is measured on the matrix. stimulus at its final location in a homogeneous drive field.
  • the initial potential is subtracted from the final potential, and the resulting “potential difference” is divided by the gear ratio of the image sensor drive, and the result is used as the distance of movement of the drive between the current location of the image sensor drive and the location of the image sensor drive, at which the light stimulus will return to the original location of the homogeneous drive fields on a photosensitive matrix.
  • the photosensitive matrix is equipped with a plurality of drives with reciprocating or reciprocating motion of the actuator, and a homogeneous drive field is created for each of the drives.
  • the distance between the current location of the photosensitive matrix drive and the location of the photosensitive matrix drive is calculated, at which the light stimulus will return to the original location of the homogeneous drive field on the photosensitive matrix.
  • a set of two drives is created, and to form a Cartesian system of homogeneous fields of the first and second drives, dimensional fields are used, and the directions of the drives corresponding to the dimensional fields are chosen such that the main coordinate axes of the dimensional fields of the first and second drives on the photosensitive matrix intersected at a right angle and started at one point with the formation of the center of the system, a reference location is selected on the photosensitive matrix, the potentials of the detectors of homogeneous fields of the first and second drives for the reference location are measured and the indicated potentials of the detectors are stored as potentials of the reference location of the photosensitive matrix corresponding to the reference location first and second drives; when a light stimulus is applied to the detectors of the first and second homogeneous fields of the drives, the potentials of such detectors are determined, for the first and second drives, the distance between the reference location of the photosensitive matrix drive and the location of
  • the first and second drives are moved using the distance calculated for them, which allows you to combine the location of the stimulus with the location of the center of the dimensional circles (polar coordinate system) fixed on the matrix at the reference location.
  • the moving and fixed coordinate systems can be represented by a polar coordinate system and Cartesian coordinate systems.
  • a Cartesian system of dimensional fields along hereinafter referred to as the first coordinate system
  • a copy of the Cartesian system of dimensional fields is created (hereinafter referred to as the second coordinate system).
  • One of the created coordinate systems is fixed on the photosensitive matrix to form a fixed coordinate system, and the second is moved along the photosensitive matrix to form a moving coordinate system.
  • the drives of the photosensitive matrix are brought to some reference location of the drives, and the moving and fixed coordinate systems are placed on the photosensitive matrix so that for the reference location of these drives, the center of the fixed coordinate system coincides with the center of the moving coordinate system.
  • the change in the potentials of the detectors of the fixed coordinate system at the first and second points is determined, and using the gear ratio of the drive of the photosensitive matrix, the displacement of the drive corresponding to the direction of the corresponding main axis of the measuring field or polar angle is calculated.
  • the moving and fixed coordinate systems can be represented by Cartesian coordinate systems. Therefore, a Cartesian system of dimensional fields is created on a photosensitive matrix (hereinafter referred to as the first coordinate system), then a polar coordinate system of the matrix is created, the radial scale of which coincides with the scale of the main coordinate axes of the dimensional fields (hereinafter referred to as the second coordinate system).
  • One of the created coordinate systems is fixed on a photosensitive matrix (hereinafter referred to as a fixed coordinate system), and the second is moved along a photosensitive matrix (hereinafter referred to as a moving coordinate system).
  • the drives of the photosensitive matrix are brought to the reference location of the drives, and the moving and fixed coordinate systems are placed on the photosensitive matrix so that for the reference location of the drives, the center of the fixed coordinate system coincides with the center of the moving coordinate system.
  • the distance of movement of the drive is determined and, using its gear ratio, the offset value of the center of the moving coordinate system in the coordinate field of the fixed coordinate system of the photosensitive matrix from the start to the end point is calculated, and the center of the moving coordinate system is shifted so that the potential of the detector at the location of the center of the moving coordinate system changes in accordance with the calculated value.
  • the drive offset is calculated corresponding to the direction of the corresponding main coordinate axis of the measuring field or polar angle.
  • drives are considered that move in both directions (pull and push), in practice, drives can be either only pushing or only pulling, so each of the main directions of the receptive fields of the drive can be served by a separate drive.
  • the displacement of the drives is perpendicular to each other, then they form a rectangular coordinate system, that is, it can be said that the two fields of the second drive allow you to measure the displacement of the drive in two directions along the Y axis, while the two directions of the first axis allow you to measure the displacement of the drive in the direction of the axis X Cartesian coordinate system. It is clear that the main directions of the fields of the drives must correspond (be conditionally "coaxial") to the directions of displacement of the drives and therefore can intersect at an angle corresponding to the geometry of the location of the drives.
  • the projection on the retina of the affine transformation of the cube can be in the form of a regular hexagon (Fig.69).
  • the matrix To measure the illumination of different points of a surface of arbitrary shape, by rotating the matrix, select the surface whose curvature should be measured, on the projection of the surface onto the photosensitive matrix, select the start point of measurements P with which the center of the moving coordinate system is associated, and the center of the fixed coordinate system O is combined with the center of the moving coordinate system P, measure and remember the illumination of the center of the moving coordinate system E p , the value of the surface height at the point of measurement start is taken equal to the unit H p - 1, the height value is associated with the coordinates of the point P in moving coordinate system H p (a p , b p ) and remember, using the drives of the photosensitive matrix, the center O of the fixed coordinate system is moved to the first point, the illumination of which E t differs from the illumination E p by more than the magnitude of the illumination measurement error LE, measure coordinates (a lt b ) of the first point in the moving coordinate system, and the height of the surface at the first point is assigned the value of the ratio
  • the reflection of light by a surface depends on the angle of incidence of light on the surface and the surface material. If the surface material is homogeneous and the surface is flat, then the illumination of all points of the plane should be the same. This is true for surfaces with shallow depth (the leading edge of the surface is much further from the observer than the far edge), since due to a significant increase in the depth of vision, the angle of view to the plane also changes.
  • circuits of different detectors of the present invention have similar elements: all such detectors have a circular shape, bounded by an outer circle. This makes it possible to use the same set of light-sensitive elements located inside these circles simultaneously in the circuits of different detectors.
  • a plurality of round receptive zones are placed on the photosensitive matrix, each of which is limited from the outside by an outer circle of a certain diameter, which may be the same or different for different receptive zones.
  • the circuit of each of the detectors is projected onto the surface of the photosensitive matrix inside the named steep receptive zone and the value of the reference illumination of each photosensitive element inside the detector circuit is stored, and also the "critical" value of the number or proportion of photosensitive elements of the measurement switch zone is stored, preferably 50% of the photosensitive elements zones.
  • the illumination of the photosensitive elements within the detector circuit is changed while simultaneously measuring the current value of the illumination of the elements.
  • the method of placing a plurality of receptive zones on the matrix and projecting into each of the receptive zones of a plurality of circuits of different detectors that differ in the type of measurements or their direction allows the presence of various features to be simultaneously detected in each individual receptive zone of the matrix, that is, each receptive field becomes multifunctional.
  • Uniform placement of receptive zones over the field of the matrix with equal or variable pitch, the size of which is at least equal to or greater than the resolution of the matrix allows you to carry out the necessary set of measurements in any place of the photosensitive matrix where such receptive zones are located.
  • BSTZ is used to obtain information about the removal of objects in the scene, to determine the directions - top/bottom/right/left, to align the centers of the polar systems of the right and left visual fields, to identify symmetry in the right/left and upper/lower parts of the visual fields, and also for comparison of data revealed in the analysis of mono images obtained from each of the two optical systems.
  • a polar coordinate system is created on the matrix, and the alignment of images is controlled by the coincidence of the vertical and horizontal axes of symmetry of the polar systems of the named optical systems. After complete alignment of the symmetry axes of the optical systems, the images obtained from the systems are compared and, if the images do not match, the optical axes of the optical systems are shifted so that the images match.
  • the images are divided into two parts, right and left or upper and lower, and two right and two left parts are combined separately (Fig. 75) or two upper and two lower (Fig. 76). Images can also be divided into quarters and quarters of images can be compared until they match completely.
  • a certain initial position of the optical axes of the BSTS optical systems correspond to such an average location of the drives, which is characterized by an equal distance from any of the extreme locations of the drive.
  • the parallelism of the optical axes is ensured, and for this, an infinitely distant object is placed on a line perpendicular to the BSTZ symmetry lines and passing through their intersection point, then the optical systems are focused on an infinitely distant object and simultaneously the images are aligned as described above (Fig.75, Fig. 76), and the corresponding location of the drives of each of the optical systems is remembered as the initial location of the wires.
  • the BSTZ optical systems focus on the object, then determine the location of the drives and, using the named locations, calculate the value of the angular displacement of each of the optical axes relative to its initial position, find the difference in angular displacements, and use the difference to calculate the range of the object in the scene.
  • the distance to the object can be calculated by the formula:
  • each of the matrices is rotated with the help of the matrix drives so that the named light stimulus is in the center of the fixed coordinate system of the corresponding matrix, the value of the location of each of the drives is measured and, if the values differ, then the value of the angle of convergence or divergence of the BSTZ optical axes is calculated , corresponding to the difference in the values of the location of the drives, and the range value is calculated using the value of the named angle
  • Fig. 1 Monocular STZ. There is no up/down/right/left direction criterion.
  • Fig. 10 Transformation of rays into straight horizontal lines when transferred from the polar coordinates of the retina to the Cartesian coordinates of the cortex.
  • Fig. 11 Transformation of a spiral into straight inclined lines when transferred from the polar coordinates of the retina to the Cartesian coordinates of the cortex.
  • Fig. 15 Receptive zone of a round shape.
  • Fig. 16 Measured field of one coordinate axis.
  • Fig. 18 Rings of the same potential with receptive zones in the form of a segment.
  • Fig. 19 Measuring circle for measuring angles in the range 0 ⁇ p ⁇ 2n with a horizontally oriented axis.
  • Fig. 20 A measuring circle for measuring angles.
  • Fig. 21 Angle measurement in range 9.
  • the measuring circle has a horizontal line of symmetry, two chosen directions clockwise (upper semicircle) and counterclockwise (lower semicircle), measuring the angle in two ranges within 0 ⁇ ⁇ p ⁇ n and 0 ⁇ ⁇ p ⁇ -i.
  • the location of symmetrical stimuli is shown by shading.
  • the measuring circle has a vertical line of symmetry, two chosen directions clockwise (upper semicircle) and counterclockwise (lower semicircle), measuring the angle in two ranges within 0 ⁇ 2 n and 0 ⁇ ⁇ p $ -p.
  • the location of symmetrical stimuli is shown by shading.
  • the measuring circle has a horizontal line of symmetry, two scales have measurement directions - clockwise (lower semicircle) and counterclockwise (upper semicircle) and allow you to measure the angle in two ranges Q ⁇ ⁇ p ⁇ n and 0 ⁇ ⁇ -p.
  • the location of symmetrical stimuli is shown by shading.
  • the measuring circle has a vertical line of symmetry, two scales have measurement directions - clockwise (left semicircle) and counterclockwise (right semicircle) and allow you to measure the angle in two ranges 0 ⁇ p ⁇ n ⁇ -n.
  • the location of symmetrical stimuli is shown by shading.
  • the measured circle has vertical and horizontal lines of symmetry.
  • a measuring circle has four scales - two directed clockwise (upper left and lower right quarter) and two counterclockwise (upper right and lower left quarter). Each scale allows you to measure angles in one of two ranges 0 ⁇ p ⁇ and 0 Detectors that are symmetrical with respect to any of the axes of symmetry are shown by shading, and symmetrical detectors have the same potentials.
  • a measuring circle has vertical and horizontal lines of symmetry.
  • a measuring circle has four scales - two directed clockwise (lower left and upper right quarter) and two counterclockwise (lower right and upper left quarter). Each scale allows you to measure angles in one of two ranges 0 ⁇ ⁇ mon ⁇ and 0 ⁇ ⁇ mon ⁇ - Detectors that are symmetrical with respect to any of the symmetry axes are shown by hatching, and symmetrical detectors have the same potentials.
  • Fig.28 Field of measured circles for measuring angles.
  • Fig.29 A field of measuring circles with a chosen direction for measuring angles.
  • Fig.30 Dimensional field of the system of two coordinate axes.
  • Fig.31 Polar coordinate system of the photosensitive matrix.
  • Fig.32 Search for the center of symmetry (search for an equidistant point) between two points A and B. State before the search for symmetry.
  • Fig.34 Rotate the polar system to measure the curvature of a line. The state before the rotation of the coordinate system.
  • Fig.35 Rotate the polar system to measure the curvature of a line. The state after rotating the coordinate system.
  • Fig.36 An example of the placement of receptive zones on the matrix. 1 - round receptive zone, 2 - ring receptive zone with a central round zone of the "measurement switch", 3, 4 - annular receptive zone with active and passive parts of the annular zone and a central round zone of the "measurement switch”.
  • Fig.37 Receptive zone in the form of a measuring ring with a central measurement switch.
  • Fig.38 Receptive zone with asymmetric segments a and b.
  • Fig.39 Receptive zone with symmetrical segments a and b.
  • Fig.42 Coaxial Detectors of different sizes, after virtual overlapping, are placed on a photosensitive matrix with centers at one point.
  • Fig.43 Graph of the ratio of the areas of a regular polygon and the circumscribed circle around it on the number of sides of the polygon, where: the y-axis is the ratio of the area of ⁇ u200b ⁇ u200bthe regular polygon to the area of the circumscribed circle, the x-axis is the number of corners of the regular polygon.
  • Fig.44 The position of the linear boundary of the stimulus b before contact with the receptive zone of the detector: the boundary of the stimulus touches the boundary of the detector.
  • Gray indicates the passive zone and white the active zone of the detector, f is the main (reference) direction of the detector, and the long boundary between the active and passive zones of the detector.
  • Fig.45 The position of the linear boundary of the stimulus b after contact with the receptive area of the detector: the area of the detector is completely covered by the stimulus. Gray indicates the passive zone and white the active zone of the detector, f is the main (reference) direction of the detector, g is the linear boundary between the active and passive zones of the detector.
  • Fig.46 A set of linear boundary displacement detectors with different principal directions f before their virtual alignment on the matrix.
  • Fig.47 A set of linear boundary displacement detectors with different principal directions f after their virtual alignment on the matrix. Alignment of the detectors makes it possible to measure the displacement angle with the same efficiency regardless of the direction of the stimulus displacement.
  • Fig.48 Detector with a large active area.
  • the passive zone is gray and the active zone is white
  • f is the main direction
  • d is the angular boundary between the active and passive zones
  • y is the angle between the main direction and the boundary d.
  • Detector with a small active zone The passive zone is gray and the active zone is white, f is the main direction, d is the angular boundary between the active and passive zones, y is the angle between the main direction and the boundary d.
  • Fig.50 A set of angular boundary displacement detectors with different principal directions f before their virtual alignment on the matrix.
  • Fig.51 A set of angular boundary displacement detectors with different principal directions f after their virtual alignment on the matrix.
  • Fig.53 Overlapping areas of neighboring receptive zones.
  • Fig.54 Receptive zone (/ - 1) of many coinciding receptive zones with different main directions f.
  • Fig. 57 Representation of the stimulus displacement vector as the sum of the horizontal and vertical displacement vectors.
  • Fig. 58 The main directions of the matrix and the main directions of the drives that coincide with them.
  • Fig. 60 Displacement of the stimulus as a result of the operation of drives.
  • Fig. 61 The first dimensional field of the first drive to measure the displacement of the first drive in the "right" direction.
  • Fig.62 The position of the polar coordinate system of the matrix (fixed on the matrix), in the first dimensional field of the first drive.
  • Fig.63 The second measuring field of the first drive with the direction -/ to measure the displacement of the first drive in the "left" direction.
  • Fig.64 Measuring fields for the vertical direction of displacement of the drive.
  • Fig.65 The initial position of the matrix with the polar system fixed on it in the coordinates of two perpendicular wires.
  • Fig.66 Rotate the matrix around the center of the polar coordinate system by the angle t.
  • Fig. 68 Offset of the center of the polar coordinate system of the matrix to the location of the stimulus on the matrix.
  • Fig.69 The projection of a cube in the form of a regular hexagon.
  • Fig.70 The minimum number of main directions of detectors and their fields.
  • Fig.71 Illumination of the reference sphere.
  • Fig.72 The dotted line shows the function of changing the density of the photosensitive elements of the matrix, and the solid line shows the change in the illumination of the reference surface.
  • the dotted line shows the function of changing the density of photosensitive elements of the polar system of the matrix from the center O to the periphery at the polar radius -R ⁇ p ⁇ +L, and the solid line shows the function of changing the illumination of the reference surface with the pole P.
  • Fig.75 Comparison between the right and left parts of the images of two BSTS optical systems.
  • Fig.76 Comparison between the upper and lower parts of the images of two BSTS optical systems.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к технологиям анализа и обработки изображений. Областью применения изобретения являются Системы Технического Зрения. Техническим результатом изобретения является прямое преобразование освещенности светочувствительных элементов матрицы в значения координат местоположения светового стимула на светочувствительной матрице, в значения неизменных цифровых описаний объектов и их формы, в значения углов, в значения глубины местоположения объектов в трехмерной сцене, в значения координат привода для стабилизации изображений. На светочувствительной матрице создают координатную сетку, в узлах которой размещают детекторы, которые порождают сигнал (потенциал), пропорциональный значению координаты узла. Расстояние между отметками шкалы приравнивают к разнице потенциалов. А для бинокулярной системы технического зрения используют две одинаковые матрицы. Матрицы поворачивают и значение дальности вычисляют по формуле параллакса зрения.

Description

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И УДАЛЕНИЯ СВЕТОВОГО СТИМУЛА.
Изобретение относится к информационным технологиям анализа и обработки изображений, систем технического зрения, хранения и обработки данных, искусственных нейронных сетей.
Изобретение предназначено для проведения измерений и морфологического анализа световых стимулов (изображений), спроецированных на светочувствительную матрицу.
Областью применения изобретения являются монокулярные и бинокулярные Системы Технического Зрения.
Монокулярные Системы Технического Зрения - СТЗ, использующие глубокие нейронные сети для распознавания сцены (Convolutional Neural Networks: A Binocular Vision Perspective Yigit Oktar, Diclehan Karakaya, Oguzhan Ulucan, Mehmet Turkan. Dec. 2019) не получают информации о направлениях верх/низ/право/лево (Фиг.1), а также пока не способны осуществлять аффинные преобразования изображений.
В большинстве существующих автономных транспортных средств для обнаружения объектов и измерения расстояния до объектов используются в качестве оптических сенсоров используется радар или LIDAR, что увеличивает стоимость системы технического зрения. Хотя видеокамера в сочетании со сверточной нейронной сетью (CNN) имеет преимущество перед LIDAR в точности и низкой стоимости, большинство методов обнаружения объектов, применяемых к видеокамере, не могут выполнять измерение расстояния и определения собственного местоположения без перехода от монокулярного к бинокулярному компьютерному зрению (Zekun Luo Xia WuQingquan Zou Object Detection Based on Binocular Vision with Convolutional Neural Network 2018).
Для обнаружения в изображениях различных признаков, например, углов или прямых линий используется известные способы работы с изображением (“Feature Detection” https://en.wiklPediaora/wiki/Feature detection (computer vision)). основанные на свертке изображений (htps://en.wikipedia.org/wiki/Kernel_(image_processing)). Алгоритм свертки имеет ограничения, среди которых то, что в качестве ядра свертки используют только квадратную (ортогональную) матрицу (п * п в которой п - нечетное число, так как результат вычислений свертки присваивается пикселю, расположенному на пересечении диагоналей ядра свертки. Технология свертки изображений имеет высокую вычислительную сложность, поскольку требует обучения нейросети, сложной цифровой обработки и математических вычислений.
Ортогональная форма ядра свертки связана с использованием линейной алгебры, которая оперирует прямоугольными матрицами, а также с ортогональной упаковкой светочувствительных матриц и пикселей в цифровых форматах изображений. Несмотря на то, что число пикселей (Фиг.З) на диагонали, вертикали и горизонтали матрицы ядра свертки является одинаковым, физическая длина главной диагонали отличается от длины вертикали и горизонтали квадратной светочувствительной матрицы на величину V2, то есть практически на 40%.
Поэтому расстояние от центральной ячейки матрицы до каждой из двух ячеек матрицы, одна из которых расположена в середине любой из сторон матрицы, а другая расположена в вершине любого из углов матрицы, оказывается разным. Это может вносить ошибку в распознавания изображений нейросетями, использующими технологию свертки. Для сохранения равной удаленности расположенных на границе точек от центра, форма предлагаемой настоящим изобретением рецептивной зоны (детектора) является не квадратной, а круглой. Для более равномерного распределения светочувствительных элементов на границах изображения и сохранения равной удаленности точек, настоящее в способе, согласно изобретению, предлагается использовать не ортогональную, а тетрагональную или гексагональную упаковки элементов на матрице.
В отличие от СТЗ, использующей LiDAR и сверточную нейросеть настоящее изобретение предлагает оригинальные способы создания на матрице рецептивных зон (детекторов) и полей детекторов разного потенциала для создания на светочувствительной матрице систем координат, в том числе декартовых и полярных, преобразования координат из одной системы координат в другую; способы создания детекторов предназначенных для определения формы светового стимула и направления смещения стимула, позволяющих измерять линейный размер, форму и углы; способы измерения и изменения плотности и/или чувствительности светочувствительных элементов матрицы для измерения формы, размеров и углов объемных фигур. Названные способы позволяют преобразовывать сигналы детекторов светочувствительной матрицы в результаты измерений, не прибегая в цифровой обработке изображений с использованием нейросетей, что снижает трудоемкость и увеличивает скорость обработки и анализа изображений. Изобретение позволяет получить для конкретной формы незамкнутых и замкнутых линий и поверхностей такое цифровое описание, которое остается неизменным для любой сцены, в которой присутствует названная форма, что позволяет проводить морфологический анализ сцен и кодировать расположение и размеры форм внутри сцены. Изобретение предлагает способы стабилизации изображения, основанные на оригинальной системе измерений, предложенной в изобретении. Настоящее изобретение предлагает оригинальные способы проекции различных систем координат и юстировки пикселей матрицы, способы использования различных систем координат для обнаружения у светового стимула различных признаков при анализе изображений, способы преобразования координат из одной системы в другую, а также способ стабилизации изображения на матрице посредством синхронизации смещения стимула на матрице со смещением исполнительных механизмов приводов матрицы. Изобретение также предлагает способы проекции рецептивных зон и гомогенных полей разного назначения на светочувствительную матрицу, а также способы обработки информации, полученной от названных зон и полей для выявления признаков, необходимых для эффективного анализа изображений.
Благодаря перечисленным особенностям, предлагаемая настоящим изобретением система измерений обладает более высокой энергетической эффективностью (число операций/вт) и скоростью анализа изображений в сравнении с технологией LiDAR и сверточных нейронных сетей и не требует предварительного обучения.
Аналогом настоящего изобретения является способ анализа изображений с помощью сверточных нейронных сетей (httDS://en.wikipedia.orq/wiki/Convolutional neural network). Однако ближайшим аналогом вероятно является система навигации автомобилей Tesla (https://www.tesla.com/autopilot), одновременно использующая и камеры и LiDAR, хотя принципы работы автопилота Tesla раскрываются не полностью, известно, что автопилот Tesla использует глубокие нейросети для распознавания изображений и сцен.
Таким образом, работа всех известных СТЗ так или иначе основана на использовании сенсоров LiDAR и глубоких нейронных сетей, которые обеспечивают распознавание объектов в сцене. Однако сенсоры LiDAR дороги, а работа глубоких сетей непонятна людям. Вместе с тем использование СТЗ в беспилотных автомобилях и другие применения СТЗ, связанные с возможным нанесением вреда здоровью или жизни человека, требуют «объяснимое™» работы систем СТЗ.
Главной задачей, на решение которой направлено изобретение, является способ прямого преобразования значений освещенности светочувствительных элементов фото или видео матрицы в значения координат местоположения светового стимула на светочувствительной матрице, в значения неизменных цифровых описаний объектов и их формы, в значения углов, в значения глубины местоположения объектов в трехмерной сцене, в значения координат привода для стабилизации изображений. Это позволяет:
• создать СТЗ, результаты работы которой являются «объяснимыми»;
• снизить стоимость СТЗ путем использования видео и фото матриц вместо LiDAR
• формировать неизменные цифровые описания для 2d и 3d объектов сцены с помощью прямого преобразования освещенности светочувствительных элементов матрицы в значения цифровых описаний неизменных при аффинных преобразованиях;
• распознавать неизменные описания в их аффинных преобразованиях;
• стабилизировать матрицу по отношению к подвижному объекту;
• прямо преобразовывать координаты привода в координаты матрицы и обратно.
Названные задачи решаются путем использования видеокамеры и системы измерения освещенности элементов ее светочувствительной матрицы для анализа изображений с целью обнаружения различных признаков, для измерения формы произвольной поверхности, для измерения характеристик позволяющих создать инвариантные цифровые описания различных поверхностей, идентификация направлений верх/низ/право/лево, измерение глубины изображения с помощью бинокулярной системы технического зрения (БСТЗ) являются технической проблемой, на решение которой направлена настоящая группа изобретений.
Единым техническим результатом изобретения является прямое преобразование освещенности светочувствительных элементов матрицы в значение координат местоположения светового стимула на светочувствительной матрице, в значения неизменных цифровых описаний объектов и их формы, в значения углов, в значения глубины местоположения объектов в трехмерной сцене, в значения координат привода для стабилизации изображений.
Единый технический результат достигается благодаря тому, что на светочувствительной матрице создают по меньшей мере одну координатную ось для чего выбирают шкалу, содержащую последовательность отметок с соответствующими им значениями расстояний от начала шкалы, выбирают точку начала и направление координатной оси, после чего начало шкапы совмещают с началом координатной оси и накладывают названную шкалу вдоль выбранного направления координатной оси. Определяют расположение отметок шкалы на светочувствительной матрице и в местах расположения каждой из отметок размещают центр, по меньшей мере, одной рецептивной зоны (далее - детектора). Каждый из детекторов настраивают таким образом, что при воздействии на детектор или его часть световым стимулом, детектор порождает такое значение измеряемой характеристики сигнала (далее - потенциал), которое равно или пропорционально значению отметки шкалы в месте размещения центра детектора. При этом значение потенциала, порожденного детектором, на который воздействовали световым стимулом, считают или значением отметки местоположения светового стимула на шкале или пропорциональным названному значению, а расстояние между двумя местоположениями световых стимулов на шкале приравнивают или к разнице потенциалов детекторов, на которые воздействовали световыми стимулами или к разнице потенциалов детекторов с коэффициентом пропорциональности.
Единый технический результат достигается также благодаря тому, что для бинокулярной системы технического зрения (БСТЗ) используют две матрицы, которые располагают так, чтобы в исходном положении матрицы лежали в одной плоскости, полярные системы матриц были одинаковыми, оптические оси оптических систем каждой из матриц были параллельны и находились на расстоянии L друг от друга, а одинаковые приводы матриц при этом находились в таком эталонном положении, чтобы при смещении приводов из эталонного в любое предельное положение матрица также смещалась в соответствующее предельное положение; для измерения дальности светового стимула каждую из матриц с помощью приводов матрицы поворачивают так, чтобы названный световой стимул оказался в центре неподвижной системы координат соответствующей матрицы, измеряют значение местоположения каждого из приводов и, если значения отличаются, то вычисляют значение угла конвергенции или дивергенции оптических осей БСТЗ, соответствующего разнице значений местоположения приводов, а значение дальности вычисляют с использованием значения названного угла и названного расстояния L между оптическими осями по формуле параллакса зрения.
Глаз имеет угловую разрешающую способность около 1' - 2'. Поскольку разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то для разрешающей возможности в 2' необходимо чтобы на один пиксель приходилась 1', что соответствует 60 пикселей на 1°.
Тетрагональная упаковка пикселей (равнобедренный треугольник - Фиг.4) имеет преимущество перед квадратной (ортогональная - Фиг.6), так как является более плотной и может образовывать соты и окружности. Гексагональная упаковка (пчелиные соты - Фиг.5) является производной от тетрагональной, а крестообразная упаковка (ортогональная - Фиг.7) является производной от ортогональной квадратной. В настоящее время производятся главным образом светочувствительные матрицы с ортогональной упаковкой пикселей.
Для создания бинокулярного зрения предпочтительной кажется использование тетрагональной упаковки.
Производимые серийно светочувствительные матрицы обладают прямоугольной формой с пропорцией сторон примерно i или| , а матрицы круглой формы серийно не выпускаются. В 2019 году была выпущена матрица Samsung ISOCELL Bright НМХ разрешением 108 мегапикселей с размером изображения в максимальном разрешении 12000x9000р. что соответствует или превышает разрешение глаза. Тем не менее, исследователи бионического зрения создают круглые матрицы, превосходящие человеческое зрение как в разрешении, так и по диапазону длинны световых волн (A biomimetic eye with a hemispherical perovskite nanowire array retina, Nature, May 2020).
Хотя достигнутый уровень технологии позволяет создать светочувствительные элементы сопоставимые с сетчаткой глаза по разрешающей способности и чувствительности к различным длинам световых волн, помимо слоя светочувствительных клеток сетчатка имеет многослойную структуру нейронов, функции которых до конца непонятны. Непонятными остаются также такие факты как разделение нервных волокон в хиазме и раздельная обработка левых и правых частей изображения в ЛКТ и другие особенности обработки изображений мозгом.
Известно, что окружность, спираль и звезда при переносе из полярной в декартову системы координат принимают форму прямых линий (Фиг. 8, Фиг. 9, Фиг. 10, Фиг. 11 ). Это может снижать трудоемкость анализа изображений.
Поэтому анализ изображения может требовать преобразования ортогональной декартовой системы координат светочувствительной матрицы в полярную системы координат системы анализа изображений и обратно. Анализ изображения может также требовать использования декартовой системы координат, оси которой не коллинеарны осям декартовой системы координат матрицы, а шаг координатной сетки которой не совпадает с физическими размерами пикселей и/или не кратен целому числу пикселей. Поэтому, может возникать дополнительная проблема преобразования координат пикселей матрицы из системы координат матрицы в систему координат анализа изображений и проблема юстировки (калибровки пикселей) светочувствительной матрицы в системе координат анализа изображений.
Простейшим способом калибровки расположения пикселей в системе координат анализа изображений представляется проецирование системы координат на матрицу, а именно использование калибровочного луча для калибровки расположения на матрице, по меньшей мере, одной точки системы координат анализа изображений. Для этого матрицу освещают лучом, размером с точку системы координат анализа изображений, причем координаты точки, подлежащей освещению, заранее выбирают в системе координат анализа изображений и запоминают. Одновременно с освещением названной точки измеряют и анализируют освещение пикселей матрицы с целью выявить пиксели, освещенные названным лучом, а расположению выявленных пикселей на матрице присваивают значение координат названной точки. Проекция системы координат анализа изображений на матрицу может меняться (динамическая система координат) или быть постоянной (статическая система координат). Использование статической системы координат для создания системы бинокулярного технического зрения потребует две светочувствительные матрицы, так как конвергенция/дивергенция левого и правого полей зрения требует изменения угла зрения каждого из полей, и, как следствие, расстояния между полями зрения. Моделировать бинокулярное зрение можно также проецируя обе системы координат (правую и левую) на одну матрицу, однако моделирование конвергенции/дивергенции потребует в этом случае использования динамической системы координат анализа изображений для левого и правого полей зрения.
Преимуществом динамической системы координат является скорость работы, низкая стоимость и надежность, так как поворот или смещение системы координат не требует физического перемещения светочувствительной матрицы и не требует использования физических приводов. Преимуществами статического поля перед динамическим является снижение влияния апертуры на качество измерений, обеспечение более корректного измерения конвергенции/дивергенции благодаря физическому смещению оптических осей матриц. Таким образом, динамическая система координат анализа изображений может обладать преимуществом на дальних дистанциях, а статическая на малых. Использование двух матриц бинокулярного технического зрения режиме динамической системы координат анализа изображений для больших дистанций и в режиме статической для малых дистанций, позволяет снизить износ приводов системы бинокулярного технического зрения.
Для определения местоположения светового стимула на светочувствительной матрице, состоящей из множества светочувствительных элементов, на светочувствительной матрице создают по меньшей мере одну координатную ось. Для этого выбирают шкалу, содержащую последовательность отметок с соответствующими им значениями расстояний от начала шкалы, выбирают точку начала и направление координатной оси, после чего начало шкалы совмещают с началом координатной оси и накладывают названную шкалу вдоль выбранного направления координатной оси (Фиг.12). Затем определяют расположение отметок шкалы на светочувствительной матрице и в местах расположения каждой из отметок размещают центр, рецептивной зоны (далее - детектора) круглой (Фиг.13) или иной формы (Фиг.14), чувствительные к изменению освещенности, причем площадь последовательных рецептивных зон шкалы отличается на известную величину Д5 = Si+1 - S( > Smin, где Smln- разрешающая способность определения площади, выраженная в числе пикселей. Поэтому значение площади рецептивной зоны можно вычислить как St = So + i * AS, а значение метки шкалы можно вычислить так:
Figure imgf000007_0001
.
Очевидно, что если So = 0, то St = i * AS, a i
Figure imgf000007_0002
= k * Si. Площадь S, рецептивной зоны далее также будем именовать «потенциалом» рецептивной зоны, а кодировать потенциал станем измеряемой характеристик сигнала детектора. Детекторы настраивают таким образом, что при воздействии на детектор или его часть световым стимулом, детектор порождает такое значение потенциала, которое равно или пропорционально с коэффициентом пропорциональности к = значению отметки шкалы в месте размещения центра детектора. Очевидно, что в случае к = 1 значение потенциала становится равным значению отметки шкалы.
Воздействием светового стимула на матрицу считают изменение освещенности одного или более светочувствительных элементов светочувствительной матрицы, при котором измеренное значение освещенности меняется на заданную величину, кратную погрешности измерения освещенности, за заданный период времени, кратный минимально доступному времени измерения освещенности.
Значение площади (потенциал) каждой рецептивной зоны S( запоминают в памяти зоны, а при воздействии световым стимулом на конкретную рецептивную зону шкалы, из памяти зоны извлекают значение площади (потенциала) этой зоны S;. Значение потенциала, порожденного детектором, на который воздействовали световым стимулом, считают равным или пропорциональным значению отметки местоположения светового стимула на шкале с коэффициентом пропорциональности к. Значение метки шкалы вычисляют по формуле i =
Figure imgf000007_0003
Figure imgf000007_0004
k * (St - S0).
Расстояние между двумя местоположениями световых стимулов на шкале приравнивают или к разнице потенциалов детекторов, на которые воздействовали световыми стимулами или к разнице потенциалов детекторов с коэффициентом пропорциональности к . Расстояние L вычисляют между двумя стимулами i nj в проекции на ось. Для этого стимулы проецируют на матрицу, значения потенциалов 5; и 5; рецептивных полей, на которые воздействовали названными световыми стимулами извлекают, а проекцию на ось расстояния между стимулами вычисляют как разницу потенциалов, деленную на цену деления шкалы Д5:
Figure imgf000008_0001
Если разница площадей смежных рецептивных зон зависит от метки
Figure imgf000008_0002
= So + f(i) и вычисление значения метки будет зависеть от вида функции /(i).
Между смежными детекторами координатной оси образуют взвешенные связи, направленные от детектора с большим потенциалом к детектору с меньшим потенциалом; каждой взвешенной связи присваивают вес, равный расстоянию между отметками шкалы, в которых расположены центры смежных детекторов, соответствующих указанным отметкам шкалы; для измерения расстояния между проекцией светового стимула на матрицу и началом шкалы световой стимул проецируют на детекторы матрицы и идентифицируют детектор, на который воздействует световой стимул (далее - активный детектор), веса множества связей, расположенных между активным детектором и началом шкалы, складывают, а результат сложения считают расстоянием между световым стимулом и началом координатной оси.
Предпочтительно в качестве единицы измерения площади светочувствительной матрицы используют один пиксель или площадь одного светочувствительного элемента, а площадь измеряют числом пикселей или светочувствительных элементов, расположенных в рецептивной зоне. При необходимости число единиц площади округляют с недостатком или избытком.
Предпочтительно, чтобы края рецептивной зоны были равноудалены от ее центра, так как способ регистрации смещения стимула от края к центру рецептивной зоны не зависит от направления такого смещения. Поэтому предпочтительной формой рецептивной зоны представляется круглая (Фиг.15) с частичным или полным перекрытием площадей рецептивных зон или даже с полным совпадением площадей одной или более рецептивных зон. Полное совпадение площадей детекторов полезно для размещения детекторов разного назначения в пределах одной и той же площади рецептивной зоны.
Рецептивную зону оснащают памятью М, а также сумматором освещенности светочувствительных элементов рецептивной зоны, а в памяти М сохраняют значение порога активации сумматора (порог чувствительности).
Если детекторы выполнены в форме круга (Фиг.13), то в качестве потенциала детектора используют значение площади круга или его части, если детектор выполнен в форме круга с кольцевой зоной (Фиг. 37). Площадь выражают или числом пикселей, или числом светочувствительных элементов светочувствительной матрицы, ограниченных снаружи окружностью, являющейся внешней границей детектора.
Детекторы располагают на светочувствительной матрице или без перекрытия, или с частичным перекрытием, или с полным перекрытием детекторов. Перекрытие необходимо для размещения в одном месте разных детекторов.
В практических применениях оказывается важным определять местоположение светового стимула на всей площади матрицы, поэтому оказывается необходимым измерять проекцию стимула на координатную ось. Для этого на светочувствительной матрице создают множество копий главной координатной оси, которая представляет собой координатную ось с размещенными на ней детекторами, множество копий главной координатной оси размещают на светочувствительной матрице параллельно друг другу с образованием мерного поля, причем первую копию сдвигают по поверхности светочувствительной матрицы на расстояние относительно главной координатной оси в направлении, образующим угол а> с названной главной координатной осью, затем вторую копию сдвигают в том же направлении на расстояние Ду2 относительно первой копии, затем аналогично размещают третью и следующие копии главной координатной оси до тех пор, пока не достигнут первого края светочувствительной матрицы; после этого процесс сдвига и размещения копий главной координатной оси продолжают, сдвигая их в противоположном направлении, образующим угол (со + тг) с главной координатной осью, до тех пор, пока не достигнут второго края светочувствительной матрицы, противоположного первому краю; при воздействии одним или более световыми стимулами на детектор, расположенный в любом месте мерного поля на главной координатной оси или любой ее копии, извлекают потенциал детектора и определяют или значение отметки шкалы местоположения светового стимула или расстояние между местоположениями двух световых стимулов.
Другими словами, для измерения проекции местоположения светового стимула на ось координат расположенное вдоль координатной оси множество рецептивных зон (Фиг.13, Фиг.14) с разной площадью копируют, а первую копию множества зон сдвигают параллельно самой себе в направлении, образующим угол
Figure imgf000009_0001
с осью координат (Фиг.16) на расстояние, которое определяется функцией Ду,- = /(/), где j -номер копии множества. Затем создают вторую копию названного множества и сдвигают ее относительно первой копии в направлении ш на расстояние Ду2 и так далее, создают копию п и сдвигают ее в направлении ш на расстояние Дуп до тех пор пока не вся площадь или часть площади светочувствительной матрицы с по одну сторону от координатной оси не будет покрыта мерным полем. Затем операцию копирования и создания копий продолжают в противоположном направлении (о> + тг) от координатной оси так, чтобы вся площадь или необходимая часть площади матрицы была покрыта мерным полем.
Для измерения местоположения световой стимул проецируют в любое место мерного поля, а из памяти рецептивной зоны, на которую воздействовал стимул извлекают значение площади названной зоны St, которое используют для вычисления метки i шкалы названной оси координат.
Для создания мерного поля системы двух координат на площади светочувствительной матрицы для каждой из двух координат создают свое мерное поле (Фиг.16). Для этого создают второе мерное поле и располагают его на светочувствительной матрице так, чтобы главная координатная ось первого мерного поля (первая главная координатной ось) и главная координатная ось второго мерного поля (вторая главная координатной ось) начинались в одной точке (далее «центр системы») и образовывали между собой угол а (Фиг.ЗО). При воздействии одним или более световыми стимулами на любое место светочувствительной матрицы, местоположение определенного светового стимула и расстояние между местоположениями двух световых стимулов определяют в первом и/или втором мерном поле. В каждом из мерных полей определяют рецептивную зону, на которую спроецирован стимул, а из памяти зоны, на которую спроецирован стимул извлекают значение ее площади 5£, которую используют для вычисления метки i шкалы названной соответствующей оси координат.
Для создания системы осей координат с одинаковой ценой деления шкалы расстояние между смежными метками делают одинаковым в числе пикселей или в числе светочувствительных элементов шкалы. Для создания мерного поля прямоугольной декартовой системы координат светочувствительной матрицы углу а и углу ш (Фиг.ЗО) присваивают значение с образованием прямоугольной декартовой системы, а отметки шкалы используют в качестве координат прямоугольной декартовой системы.
Радиальное мерное поле позволяет определять значения полярного радиуса в полярной системе координат. Для создания радиального мерного поля в качестве главной координатной оси используют координатную ось с размещенными на ней детекторами (Фиг. 6а и 6Ь) и создают по меньшей мере одно множество из N копий главной координатной оси. Указанное множество N копий главной координатной оси размещают на светочувствительной матрице с началом в точке начала главной координатной оси, при этом для образования углового направления радиального мерного поля первую копию поворачивают вокруг точки начала главной координатной оси на поверхности светочувствительной матрицы по часовой или против часовой стрелки относительно главной координатной оси на угол Д^, который определяется функцией Д<р = /(/), где j -номер копии множества. Вторую копию поворачивают в том же направлении на угол &<р2 относительно первой копии главной координатной оси (Фиг.17), аналогично размещают третью и следующие копии главной координатной оси до тех пор, пока не достигнут заданной суммы углов р = Е/=1 Д ;- При воздействии одним или более световыми стимулами на детектор, расположенный в любом месте радиального мерного поля на главной координатной оси или любой ее копии, извлекают потенциал этого детектора и определяют или значение отметки шкалы соответственно главной координатной оси или любой ее копии, соответствующее местоположению светового стимула, или расстояние между местоположениями двух световых стимулов.
Для создания полярной системы координат в качестве угла поворота N копий главной координатной оси выбирают угол Д<и/ < — а отметки шкалы используют в качестве координат
Figure imgf000010_0001
полярного радиуса в полярной системе координат, центр которой совпадает с началом главной координатной оси. Последовательные копии оси координат поворачивают на угол Д<рг так, чтобы сумма углов поворота принимала значения в диапазоне 0 < р < 2тг или - п <р < +тг или - Д < <р < +~, причем значение угла поворота копии оси выбирают одинаковым для всех копий Д< у = const = Д<рх и предпочтительно выбирают так, чтобы угол <р содержал целое число углов поворота Д^! копий — = т, где т -целочисленная величина. Значения названной шкалы представляют собой значения радиуса полярной системы координат, а сумма углов £*=1 Д<Ру представляет собой значение угла полярной системы координат.
Для измерения местоположения световой стимул проецируют в любое место радиального мерного поля, а из памяти рецептивной зоны, на которую был спроецирован стимул извлекают значение площади названной зоны Sb которое используют для вычисления метки i шкалы названной оси координат по формуле i =
Figure imgf000010_0002
Поскольку расположенные на разных копиях оси рецептивные зоны с центрами в отметках с одинаковыми значениями, образуют окружности с расположенными на них рецептивными зонами равной площади (потенциала), далее мы станем называть такие окружности также «кольцами равного потенциала». Целью создания мерного сектора и мерной окружности является измерение значений полярного угла в полярной системе координат. Для образования мерного сектора мерной окружности используют радиальное мерное поле (Фиг. 17). В радиальном мерном поле создают окружность с центром в начале главной координатной оси и радиусом, равным значению первой отметки шкалы главной координатной оси, а точку пересечения мерной окружности с главной координатной осью в первой отметке шкалы главной координатной оси используют в качестве отметки начала круговой шкалы мерной окружности с нулевым значением полярного угла ср0 = 0. Каждую точку пересечения мерной окружности с J -той копией главной координатной оси в первой отметке / -той копии главной координатной оси также используют в качестве соответствующей i -той отметки круговой шкалы мерной окружности. Значение полярного угла i -той отметки круговой шкалы считают равным <pt = j=i <Pj, а центральный угол мерного сектора равным названной заданной сумме углов ср = <pN = EJLI <Pj- Понятно, что мерный сектор превращается в мерную окружность при значении
Figure imgf000011_0001
= 2п. В местах расположения отметок круговой шкалы мерной окружности размещают центры рецептивных зон (детекторов). Детекторы, чувствительные к изменению освещенности, создают предпочтительной круглой (Фиг. 1 1 ) или иной формы, причем размер зон подбирают так, чтобы площадь последовательных рецептивных зон шкалы отличалась на известную величину Д5 = Si+1 - S( > Smin, где Smin- разрешающая способность определения площади, выраженная в числе пикселей. Поэтому значение площади рецептивной зоны можно вычислить как S, = 50 + i * Д5, а значение метки шкалы можно вычислить так: i = Очевидно, что если So = 0, то
Figure imgf000011_0002
Значение разницы углов Д^ считают пропорциональным разнице площадей с коэффициентом пропорциональности к Д<р = к * Д5 и соответственно <pt = i * Дер - i * к ♦ Д$ =
Figure imgf000011_0003
Figure imgf000011_0004
* к * Д5 = к * (5( - 50). При 50 = 0 получим р( = к * St.
Каждый из детекторов настраивают таким образом, что при воздействии на него световым стимулом детектор порождает такое значение измеряемой характеристики сигнала детектора (потенциал), которое равно или пропорционально с коэффициентом пропорциональности к значению отметки круговой шкалы в месте размещения детектора.
Значение площади каждой рецептивной зоны S, запоминают в памяти зоны, а при освещении светом стимула конкретного рецептивной зоны шкалы, из памяти зоны извлекают значение площади этой зоны S( и вычисляют значение угла <pt ~ к * S£. Очевидно, что при к = 1 значение полярного угла равно значению потенциала < ( = 5(. Поэтому значение потенциала, порожденного расположенным на мерной окружности детектором, на который воздействовали световым стимулом, считают или значением отметки полярного угла местоположения светового стимула на круговой шкале или пропорциональным названному значению полярного угла с коэффициентом пропорциональности к, а значение полярного угла между местоположениями двух световых стимулов на мерной окружности приравнивают или к разнице потенциалов детекторов, на которые воздействовали световыми стимулами или к разнице потенциалов детекторов с коэффициентом пропорциональности к.
Если разница площадей смежных рецептивных зон зависит от метки Д5£ = (0, то S, = So + /(i) и вычисление значения метки будет зависеть от вида функции f(i).
Для создания системы измерений полярного угла на светочувствительной матрице размещают окружность с расположенной на ней круговой шкалой с отметками полярного угла, центр которого расположен в центре окружности. Центры рецептивных зон размещают в отметках шкалы, а сами рецептивные зоны, чувствительные к изменению освещенности, создают предпочтительной круглой (Фиг.15) или иной формы (Фиг.37, Фиг.38, Фиг.39). Размеры последовательных рецептивных зон выбирают такими, чтобы их площадь или отличалась на известную величину S = Si+1 - St > Smin, где Smin- разрешающая способность определения площади, выраженная в числе пикселей, или была равной Д$ = Si+1 - St = 0 (Фиг. 19). Все смежные рецептивные зоны за исключением Терминальной рецептивной зоны связывают между собой связью в Избранном Направлении - против часовой стрелки или по часовой стрелке со смежной рецептивной зоной мерной окружности.
По меньшей мере, в памяти каждой рецептивной зоны возможно кроме терминальной зоны запоминают значение Избранного Направления. При проецировании светового стимула на конкретную рецептивную зону, центр которой расположен в отметке i шкалы мерной окружности из памяти зоны извлекают значение Избранного Направления и рассчитывают названное значение i. Для этого суммируют число последовательных смежных рецептивных зон включая Терминальную, расположенных в Избранном Направлении. Суммирование заканчивают, достигнув Терминальную зону. Размер угла между рецептивной зоной проекции стимула на матрицу и терминальной зоной рассчитывают, умножая полученную сумму i на размер угла Др, разделяющий смежные зоны мерной окружности.
Хотя в примере (Фиг.21) измерение угла производят в диапазоне < 9 < — , измерение углов полярной системы координат можно осуществлять в привычном диапазоне -п < 9 < п или в диапазоне 0 < 9 2п или - < 9 < + или в любом другом диапазоне углов 9.
Для создания поля мерных окружностей на светочувствительной матрице размещают мерную окружность с размещенными на ней детекторами и используют ее в качестве главной мерной окружности. Для главной мерной окружности создают множество копий, а в качестве радиуса для каждой из последовательных копий главной мерной окружности выбирают значение последовательных отметок шкалы главной координатной оси, которую использовали для создания главной мерной окружности. Каждую из копий главной мерной окружности размещают на светочувствительной матрице так, чтобы центр окружности копии совпадал с центром главной мерной окружности, то есть так чтобы множество мерных окружностей были концентрическими. Поле мерных окружностей используют для измерения значений полярного угла. При воздействии световым стимулом на конкретный детектор, центр которого совпадает с отметкой шкалы главной мерной окружности или любой из ее копий, извлекают порожденное значение потенциала детектора и вычисляют соответствующее этому потенциалу значение полярного угла.
Любой знакомый с уровнем техники может предложить другой способ создания поля мерных окружностей. Например: для создания концентрических мерных окружностей на светочувствительной матрице размещают ось координат со шкалой в отметках которой размещают центры рецептивных зон с одинаковой площадью. Поле мерных окружностей создают как описано выше с помощью поворота оси вокруг ее начала затем соединяя одинаковые значения отметок шкал смежных копий главной координатной оси получают концентрические мерные окружности. А именно первую копию оси создают и поворачивают ее вокруг начала оси координат в направлении увеличения полярного угла по часовой или против часовой стрелки на угол Д^ , который определяется функцией <pj = f(f), где / -номер копии оси координат. Затем создают вторую копию оси и поворачивают ее относительно первой копии в том же направлении на угол Д 2 и так далее, создают копию п и поворачивают ее в том же направлении на угол Д<рп относительно копии (п - 1) до тех пор пока сумма углов не достигнет некоторой заданной величины <р =
Figure imgf000013_0001
Каждую / — ю копию оси координат создают и поворачивают на угол Д ; до тех пор сумма углов поворота не достигнет значения нужного значения р, предпочтительно —п < <р < п;
Figure imgf000013_0002
или 0 <р < 2л. Значение угла поворота копии оси предпочтительно выбирают одинаковым для всех копий Д<ру = const = Д<р, причем выбирают так, чтобы угол р содержал целое число углов поворота копий — = т, где т —целочисленная величина. Названную сумму углов <р = Е д<ру используют в качестве угла полярной системы координат.
Размер рецептивных зон смежных копий оси подбирают так, чтобы площадь каждой рецептивной зоны / —той копии оси отличалась от площади каждой из рецептивных зон (j + 1) - ой копии оси на известную величину Д5 = SJ+1 -St ■ = const > Smin, где Smin- разрешающая способность определения площади, выраженная например в числе пикселей. Поэтому значение площади рецептивной зоны можно вычислить как Sj = So +J * Д5, порядковый номер копии оси можно вычислить так:
Figure imgf000013_0004
а значение полярного угла p = j * ts ) или
Figure imgf000013_0003
гДе
~ = к - коэффициент пропорциональности.
Для полярной системы запоминают значения 50 и Д<р, а значение площади каждой рецептивной зоны Sj запоминают в памяти зоны. При воздействии световым стимулом на конкретную рецептивную зону шкалы, из памяти зоны извлекают значение площади этой зоны •$/ и вычисляют порядковый номер оси по формуле j =
Figure imgf000013_0005
затем вычисляют угол <р = j * Д<р который используют в качестве значения полярного угла местоположения стимула на матрице.
Поскольку расположенные на разных копиях оси рецептивные зоны имеют равные площади (потенциалы), далее мы станем называть такие оси также «радиусами равного потенциала».
Альтернативно для измерения углов на всей площади светочувствительной матрицы на матрице создают систему концентрических мерных окружностей (Фиг.28 и Фиг.29), отметки пиалы каждой окружности располагают на радиусе в точках его пересечения с каждой из окружностей и в этих же точках располагают центры рецептивных зон, а сами рецептивные зоны создают одинаковой или разной площади предпочтительной круглой или иной формы.
По меньшей мере, в памяти каждой рецептивной зоны возможно кроме терминальной зоны каждой мерной окружности запоминают значение Избранного Направления. При проецировании светового стимула на конкретную рецептивную зону, центр которой расположен в отметке i шкалы мерной окружности J из памяти зоны извлекают значение Избранного Направления и рассчитывают названное значение i. Для этого суммируют число последовательных смежных рецептивных зон мерной окружности /, включая Терминальную, расположенных в Избранном Направлении. Суммирование заканчивают, достигнув Терминальную зону. Размер угла между рецептивной зоной проекции стимула на матрицу и терминальной зоной рассчитывают, умножая полученную сумму I на размер угла Д$р, разделяющий смежные зоны мерной окружности j.
Для создания полярной системы координат (Фиг. 31) на светочувствительной матрице для измерения полярного радиуса размещают радиальное мерное поля (Фиг.17), а для измерения полярного угла располагают поле мерных окружностей (Фиг. 28 или Фиг. 29). Названные поля создают с помощью одной и той же главной координатной оси, то есть главная координатная ось радиального мерного поля и главная координатная ось поля мерных окружностей является одной и той же координатной осью. Поэтому центр и шкала главной координатной оси радиального мерного поля совпадает с центром и шкалой главной координатной оси поля мерных окружностей. При воздействии световым стимулом на светочувствительную матрицу выявляют конкретный детектор шкалы главной мерной окружности или любой из копий главной мерной окружности и одновременно конкретный детектор шкалы главной координатной оси или любой из копий главной координатной оси, извлекают порожденные значения потенциалов детекторов круговой шкалы главной мерной окружности или любой из ее копий и шкалы главной координатной оси или любой из ее копий и вычисляют соответствующее извлеченным потенциалам значение полярного угла и полярного радиуса, которые используют в качестве значений системы двух координат, образующих полярную систему координат матрицы.
Информацию от разных детекторов получают и обрабатывают раздельно. Для множества детекторов в качестве алгоритма обработки информации выбирают такой, результат работы которого не меняется, если не меняется способ освещения детектора (далее «стимул»).
Действие гравитации делает предметы окружающего мира симметричными в двух направлениях - в вертикальном и горизонтальном. При отсутствии вертикальной симметрии равновесие нарушается, поэтому для минимизации энергетических затрат и снижения физического износа на поддержание равновесия вертикальная симметрия особенно характерна для объектов флоры и фауны. Возвышенности на Земле также формировались под действием гравитации и потому также обладают элементами вертикальной симметрии. Горизонтальная симметрия характерна для жидких и аморфных объектов, которые растекаясь под действием гравитации принимают формы с горизонтальной симметрией. В своей деятельности человек также широко использует симметрию.
По всем названным причинам распознавание симметрии является важным для систем технического зрения (СТЗ), в частности для беспилотных автомобилей и роботов другого назначения.
Поскольку признаком симметрии расположения стимулов в полярной системе координат является равенство их полярных координат - радиуса и угла, то для выявления симметрии удобно использовать технику мерных окружностей измерения углов, ведь на мерной окружности расположены точки равноудаленные от центра полярной системы, а сама мерная окружность предназначены для измерения углов, что позволяет выявлять точки равноудаленные от терминальной точки (мерная окружность с избранным направлением) или от начала круглой координатной оси (мерная окружность с потенциалами зон, пропорциональными отметкам шкалы оси). Для выявления симметрии поле окружности удобно разбить на две половины, симметричные относительно вертикальной или горизонтальной линии симметрии (Фиг. 22, Фиг. 23 и Фиг.24, Фиг.25). В каждой из половин окружности для выявления вертикальной и горизонтальной симметрии углы удобно измерять в пределах 0 < <р < г и 0 < <р < -п.
Для выявления симметрии стимулов относительно одной оси симметрии используют мерную окружность образованную двумя мерными сегментами симметричными относительно оси симметрии. Выбирают такое положение мерной окружности, при котором стимулы проецируются на детекторы, полярные углы которых одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Если углы не равны срг > <р2, то мерную окружность сдвигают или поворачивают в сторону большего угла ^так, чтобы добиться равенства углов <рх = <р2 на мерной окружности для названных стимулов.
Для выявления симметрии стимулов относительно двух осей симметрии используют мерную окружность образованную четырьмя мерными сегментами попарно симметричными относительно двух оси симметрии и вместе образующими мерную окружность (Фиг.26 и Фиг.27). При использовании четвертей мерной окружности в каждой из четвертей располагают шкалу для измерения углов в пределах п/2 радианов: правая и левая верхние четверти оснащены шкалой измерения угла в диапазоне 0 < р < + , а правая и левая нижние четверти оснащены шкалой измерения угла в диапазоне 0 < <р < -
Figure imgf000015_0001
. Благодаря наличию мерных четвертей детекторы, симметричные относительно вертикальной и горизонтальной осей имеют одинаковые потенциалы. На рисунке (Фиг.26 и Фиг.27) симметричные детекторы изображены заштрихованными. Для симметричных детекторов справедливо равенство углов:
Figure imgf000015_0002
= -<р2 и <pt = р2 . Эго позволяет обнаруживать симметрию не только измеряя углы, но также сравнивая потенциалы детекторов, на которые воздействуют стимулы.
Поэтому для выявления симметрии образуют пару половин мерной окружности, используя пару мерных секторов, центральный угол каждого из которых равен 180°, или образуют две пары четвертей мерной окружности, используя две пары мерных секторов, центральный угол каждого из которых равен 90°; для создания радиального мерного поля каждой половины мерной окружности используют соответственно одну пару множеств копий главной координатной оси с противоположными угловыми направлениями, и каждое из множеств копий главной координатной оси содержит N копий главной координатной оси с заданным углом суммы поворотов копий главной координатной оси равным <р =
Figure imgf000015_0003
= 180°, или для образования радиального мерного поля каждой четверти из двух пар четвертей мерной окружности используют две пары множеств копий главной координатной оси с противоположными угловыми направлениями, и каждое из множеств копий главной координатной оси содержит N копий главной координатной оси с заданным углом суммы поворотов копий главной координатной оси равным ср = ' IJ=1 &<PJ = 90°, а для того, чтобы потенциалы детекторов, симметричных относительно линии симметрии, образованной границей, разделяющей смежные половины или четверти, были равными, половины или четверти мерной окружности размещают на мерной окружности так, чтобы вершина центрального угла половины или четверти лежала в центре мерной окружности, половины или четверти с противоположными угловыми направлениями были смежными и не пересекались; а при воздействии световым стимулом на конкретный детектор круговой шкалы мерного сектора извлекают порожденное значение потенциала детектора и вычисляют соответствующего этому потенциалу значение полярного угла. При воздействии двух световых стимулов на два детектора одинакового потенциала, расположенные в смежных мерных секторах поля мерных окружностей, делают вывод о симметричном расположении световых стимулов относительно линии симметрии, разделяющей названные смежные сектора поля мерных окружностей, а также о том, что все точки, равноудаленные от обоих световых стимулов, расположены на линии симметрии.
Поскольку рецептивные поля одинакового потенциала являются равноудаленными от центра полярных координат, то это позволяет определять удаление визуального стимула от центра полярных координат, находить точку равной удаленности от двух стимулов, а также находиться линию симметрии, состоящую из точек, равноудаленных от двух линий произвольной формы.
Известно, что две произвольные точки, равноудаленные на расстояние R от третьей точки, должны лежать на окружности радиуса R с центром в третьей точке. Детекторы радиального мерного поля, равноудаленные от центра полярной системы координат, обладают одинаковыми потенциалами. Поэтому стимулы А и В (Фиг.32), расположенные на разном удалении от центра полярной системы координат, воздействуют на детекторы радиального мерного поля с разным потенциалом, причем потенциал рецептивной зоны будет тем выше чем дальше точка от центра: SA > SB. Алгоритм поиска центра симметрии смещает центр полярной системы О вдоль полярного радиуса в сторону избыточного потенциала $А до тех пор, пока потенциалы не сравняются SA = SB (Фиг. 33). Направление смещение центра координат показано пунктирной радиальной стрелкой (Фиг.32).
Для поиска на поверхности светочувствительной матрицы точки, равноудаленной от спроецированных на матрицу двух световых стимулов, в произвольные места светочувствительной матрицы проецируют два световых стимула и измеряют потенциалы детекторов радиального мерного поля, на которые воздействовали названными световыми стимулами, затем выбирают световой стимул с избыточным потенциалом и начинают смещать центр полярной системы координат в сторону светового стимула с избыточным потенциалом, одновременно измеряя потенциалы детекторов радиального мерного поля, на которые воздействуют названные точечные световые стимулы, при смещении стимулов по поверхности светочувствительной матрицы; названное измерение потенциалов и смещение центра полярной системы координат останавливают, когда потенциал первого светового стимула станет равным с некоторой допустимой погрешностью потенциалу второго, а местоположение, по меньшей мере, центра полярных координат на светочувствительной матрице после останова смещения считают точкой равноудаленной от названных световых стимулов.
В названной памяти М сохраняют значение названного потенциала 5i ;- рецептивной зоны. На площадь матрицы проецируют, по меньшей мере, два стимула А и В. Стимулами освещают разные рецептивные зоны с сохраненными для этих рецептивных зон значениями SA Sg. Когда сумматоры освещенных стимулами рецептивных зон фиксируют превышение порога чувствительности рецептивной зоны, из памяти извлекают сохраненное значение
Figure imgf000016_0001
и SR соответствующей рецептивной зоны, которое передают в устройство анализа изображений, где SA HSB, извлеченные из памяти освещенных стимулами рецептивных зон сравнивают между собой, а при совпадении с заданной точностью ±Д5 пары значений SA = SB ± AS делают вывод о равной удалённости стимулов А и В от центра полярной системы координат матрицы. Для поиска на поверхности светочувствительной матрицы множества точек, образующих линию симметрии кривой линии, представленной спроецированным на матрицу неподвижным световым стимулом, на поверхность светочувствительной матрицы проецируют кривую линию, представленную неподвижным на светочувствительной матрице световым стимулом. Запоминают местоположение на светочувствительной матрице центра полярной системы координат и в радиальном мерном поле ищут точку «минимума» светового стимула, для чего измеряют значение потенциалов всех точек стимула и находят единственную точку с наименьшим из измеренных потенциалов. Затем с помощью поля мерных окружностей ищут точку «максимума» названного светового стимула, полярный угол которой максимально отличается от полярного угла точки минимума. Для названной первой пары точек находят равноудаленную от них первую точку, которую считают точкой симметрии и запоминают ее местоположение на матрице. Затем полярную систему координат смещают в поперечном к линии соединяющей названную первую пару точек направлении, а измерение потенциалов точек кривой в радиальном мерном поле продолжают до тех пор, пока не обнаружат новую точку минимума После этого повторяют поиск точки максимума, а затем поиск следующей точки симметрии, местоположение которой на матрице запоминают. Процесс поиска точек симметрии повторяют необходимое количество раз, при этом местоположением линии симметрии светового стимула на матрице считают местоположение на матрице множества найденных точек симметрии.
Смежные в радиальном направлении рецептивные поля связывают физической или логической взвешенной связью, вес которой, пропорционален потенциалу рецептивной координатного угла <pj или одинаков для всех радиальных связей (Фиг. 23), а «суммарный вес» всех связей, лежащих на одном радиусе, запоминают. Все связи, расположенные вдоль радиуса между рецептивными полями, связывают с, по меньшей мере, одним сумматором весов. При воздействии стимулом, по меньшей мере, на одно радиальное рецептивное поле I , такое поле «возбуждается» и передает сигнал смежным «невозбужденным» радиальным полям, расположенным выше и/или ниже по радиусу от «возбужденного» рецептивного поля, «невозбужденные» меняют свое состояние на «возбужденное» и передают «невозбужденным» полям сигнал до тех пор, пока сигнал не достигнет другого «возбужденного» рецептивного поля ;, после чего измерение заканчивают. Причем, при прохождении сигнала по цепи «невозбужденных» полей между «возбужденным» рецептивными полями I и j, расположенными на одном и том же радиусе, веса связей пройденных сигналом «возбуждения» считывают и суммируют, а сумму весов делят на названный «суммарный вес» всех связей радиуса и используют в качестве меры радиального размера между рецептивными полями i и ;.
Поскольку радиус колец полярной системы координат от центра в периферии увеличивается, для произвольной кривой можно подобрать такое кольцо постоянного потенциала, радиус кривизны которого совпадает с радиусом кривизны кривой линии. Действие детектора основано на том, что если названные радиусы совпадают, то множество точек кривой линии лежат на кольце равных потенциалов и потому при повороте полярной системы вокруг центра в собственной плоскости потенциал точек кривой линии в проекции на матрицу меняться не будет. Для демонстрации этого спроецируем на полярную систему координат светочувствительной матрицы прямую АВ с расположенной на этой прямой точкой Clt а также отрезок дуги одинакового потенциала EF с расположенной на этом отрезке точкой Dj и начнем поворачивать светочувствительную матрицу и ее полярную систему вокруг центра полярной системы по часовой стрелке (Фиг.34). Как видно (Фиг. 35) при повороте проекция точки Сг сместилась вдоль радиуса в сторону увеличения потенциала колец, что привело к изменению потенциала точки Ct. В то же время точка
Figure imgf000018_0001
при повороте смещалась вдоль кольца с одинаковым потенциалом и ее радиальное смещение оказалось равным нулю, а потенциал не менялся.
Таким образом, смещая центр полярной системы координат вдоль линии симметрии гладкой кривой и одновременно поворачивая полярную систему координат вокруг собственного центра, можно достигнуть такого положения центра полярных координат, при котором кривизна кривой окажется равной кривизне одного из колец равного потенциала. Знание кривизны каждого из колец равного потенциала позволяет определить и кривизну произвольной кривой.
Для распознавания световых стимулов в форме пятна, кольца, а также линейной и угловой границы светового стимула удобно использовать детекторы с кольцевой и центральной зонами. Предпочтительная форма названных детекторов представлена на рисунке (Фиг.36), где 1 - круглая зона (также Фиг.15), 2 - кольцевая с центральной зоной (также Фиг.37), 3 - кольцевая для определения направления смещения линейной границы (также Фиг.39), 4 - кольце для определения направления смещения угловой границы (также Фиг.38).
Каждую круглую рецептивную зону (Фиг.15) могут разбивать на периферийную кольцевую и центральную круглую зоны (Фиг.37). Для этого детектор ограничивают снаружи окружностью радиуса R и проецируют на детектор окружность радиуса г < R так, чтобы центры окружностей совпадали, при этом множество светочувствительных элементов, расположенных в кольцевой и в центральной зонах детектора пересчитывают, а результаты сохраняют в качестве значения площади или потенциала соответственно кольцевой и центральной зоны детектора.
Центральную круглую зону кольцевой рецептивной зоны оснащают сумматором освещенности светочувствительных элементов центральной зоны с пороговой функцией активации, а в памяти М сохраняют значение порога активации.
Для каждой кольцевой рецептивной зоны также вычисляют площадь кольцевой периферийной зоны, например пользуясь формулой Sip = тг * р * (R - г2), где R - внешний и г - внутренний радиусы кольца зоны. В названной памяти М сохраняют значение названного потенциала Sip периферийной кольцевой зоны рецептивного поля.
Внешнюю кольцевую зону рецептивной зоны могут разбивать на два симметричных или не симметричных сегмента a n b, а также могут выбрать направление , которое используют в качестве главного направления чувствительности рецептивной зоны. Предпочтительно, в качестве главного направления выбирают такое направление, которое проходит через центр рецептивной зоны и делит пополам каждый из сегментов а и b (Фиг.25).
Известно, что сетчатка глаза имеет рецептивные поля ON и OFF типов, способные регистрировать пятна, угловой размер которых совпадает с размером центральной зоны рецептивного поля. OFF поля реагируют на темное пятно, a ON поля на светлые. По аналогии с ON/OFF рецептивными полями сетчатки, рецептивные поля светочувствительной матрицы могут относиться к ON или OFF типу и регистрировать темные пятна на светлом фоне (поля OFF типа) или светлые пятна на темном фоне (поля ON типа). Реакция детектора пятна на освещение/затемнение центральной части и периферии показаны для полей обоих типов на рисунке (Фиг.40). Для идентификации стимула в форме кольца детектор настраивают на одновременное измерение освещенностей светочувствительных элементов кольцевой и центральной зон (Фиг.37), число освещенных элементов соответствующей зоны сравнивают с числом всех светочувствительных элементов зоны и, если в пределах некоторой погрешности все светочувствительные элементы кольцевой зоны не освещены, а все светочувствительные элементы центральной зоны освещены, то принимают решение о том, что световой стимул имеет форму пятна, площадь проекции которого сравнима с площадью центральной зоны детектора в пределах названной погрешности, или, если в пределах некоторой погрешности все светочувствительные элементы центральной зоны не освещены, а все светочувствительные элементы кольцевой зоны освещены, то принимают решение о том, что световой стимул имеет форму кольца, площадь проекции которого сравнима с площадью кольцевой зоны детектора в пределах названной погрешности.
Для создания детектора пятна или кольца на светочувствительной матрице выбирают точку, которую используют в качестве центра двух концентрических кругов - внешнего и внутреннего (Фиг.37). Перед началом работы детектора детектор проецируют на поверхность светочувствительной матрицы и запоминают значение эталонной освещенности каждого светочувствительного элемента внутри схемы детектора, а также запоминают полное число светочувствительных элементов внутри кольцевой и центральной зоны детектора, кроме того, запоминают значения «критического» числа или доли светочувствительных элементов для кольцевой и центральной зоны. При использовании детектора освещенность светочувствительных элементов внутри схемы детектора меняют, одновременно измеряя текущее значение освещенности элементов внутри схемы. Если разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента центральной или кольцевой зоны превысит величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица», а все «единичные» значения суммируют отдельно для центральной и кольцевой зоны. Если сумма единичных значений кольцевой зоны и сумма единичных значений центральной зоны в пределах заданной погрешности оказывается равна соответствующего зоне названного критического числа или названной критической доли светочувствительных элементов, то принимают решение о наличии кольца или пятна, причем площадь проекции такого кольца или пятна приравнивают площади кольцевой зоны или площади центральной зоны Детектора.
Поле детекторов служит для распознавания пятен и/или колец разного размера. Для этого множество детекторов пятна и/или кольца пятна разного размера (Фиг.41) следует размещать на светочувствительной матрице так, чтобы центры каждого из детекторов совпадали (Фиг.42). Предпочтительно центром детекторов выбирают центр полярной системы координат или отметку шкалы главной координатной оси или ее копии. Таким образом, множество светочувствительных элементов детектора меньшего размера являются подмножеством светочувствительных элементов детектора большего размера. Поскольку данные любого светочувствительного элемента самого маленького детектора нужны для работы одновременно всех детекторов большего размера, то данные с каждого светочувствительного элемента передаются для анализа алгоритмам принятия решения разных детекторов. Для создания поля детекторов пятна и/или кольца на светочувствительной матрице выбирают точку для размещения центров детекторов поля детекторов (далее - Детекторов поля), затем создают множество Детекторов, каждый из которых содержит две концентрические окружности нужного размера, причем радиус внутреннего круга каждого Детектора отличается от радиуса внутреннего круга других Детекторов множества, по меньшей мере, на величину Др а радиус внешнего круга каждого из Детекторов пятна и/или кольца или отличается от радиуса внешнего круга других Детекторов множества, по меньшей мере, на величину Д2 или является для всех Детекторов пятна и/или кольца одинаковым, все Детекторы поля проецируют на светочувствительную матрицу с центром в выбранной точке; при использовании поля детекторов световой стимул проецируют на детекторы множества, измерения освещенности проводят одновременно для каждого из Детекторов множества отдельно, а решение о наличии пятна и/или кольца и его размере принимают в зависимости от размеров Детектора пятна и/или кольца, освещенность которого соответствовала условиям принятия этих решений.
Известно, что из всех п-угольников, вписанных в окружность, правильный п-угольник обладает максимальной площадью. Зависимость отношения (у) площади правильного многоугольника к площади описанной окружности в зависимости от числа углов (х) правильного многоугольника показана на рисунке (Фиг.43).
Пятно в форме правильного многоугольника проецируют на зону измерений - внутренний круг Детектора пятна таким образом, чтобы углы многоугольника касались границы внутреннего круга, измеренное число единичных значений зоны измерений делят на число всех светочувствительных элементов зоны измерений, а по полученному результату деления делают вывод о возможном числе сторон многоугольника.
Определение направления смещения границы является важным для задач стабилизации изображения (https://en.wikipedia.org/wikMmage_stabilization). Для определения направления смещения светового стимула и формы его границы можно использовать детектор линейной границы. Для создания детектора смещения линейной границы на светочувствительной матрице выбирают точку, которую используют в качестве центра двух концентрических кругов - внешнего и внутреннего (Фиг .44 и Фиг.45) Для названного детектора определяют главное направление, а для измерения угла между главным направлением и направлением смещения светового стимула (далее - угол смещения) используют зону измерений и зону выключения измерений. В качестве зоны выключения измерений используют центральную зону, а зону измерений создают следующим образом: диаметром, образующим с главным направлением прямой угол, кольцевую зону разбивают на два полукольца и в качестве зоны измерений используют то полукольцо, которое служит входом для главного направления, а полукольцо, служащее для главного направления выходом, не используют. Перед измерением угла смещения измеряют и сохраняют значение эталонной освещенности светочувствительных элементов детектора и число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны, а также выбирают некоторое «критическое» значение числа или доли светочувствительных элементов зоны выключателя измерений и запоминают его. При пересечении световым стимулом названной внешней границы детектора измеряют текущее значение освещенности светочувствительных элементов детектора, а, когда разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента зоны измерений или зоны выключения измерений превысит, по меньшей мере, величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица»; все присвоенные единичные значения суммируют отдельно для зоны измерений и зоны выключения измерений до момента, когда сумма единичных значений зоны выключения измерений окажется равна или больше названного критического числа или названной критической доли светочувствительных элементов. После этого сумму единичных значений активной зоны делят на число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны и умножают на 2тг, а результат считают значением в радианах угла у, заключенного между главным направлением детектора и направлением смещения светового стимула, форма которого представляет собой линейную границу.
Круговой детектор позволяет более точно измерять угол смещения границы в необходимом диапазоне углов благодаря размещению множества детекторов с разными главными направлениями и усреднения измеренных с их помощью значений угла смещения границы (Фиг.46 и Фиг.47). Измерения проводят для каждого Детектора из множества детекторов отдельно с тем, чтобы уточнить угол у смещения линейной границы и ее наличие.
Для идентификации линейной границы и угла смещения линейной границы образуют круговой детектор, для чего создают детектор линейной границы и используют его в качестве эталона. Создают множество копий эталона, вместе с эталоном образующих множество детекторов, указанное множество детекторов размещают с центром в одной точке, а главные направления для каждого из детекторов множества выбирают так, чтобы они пересекались в центре детектора, а смежные главные направления пересекались в центре и образовывали в пересечении друг с другом угол не менее погрешности измерения угла смещения границы Д. Для кругового детектора определяют единственное эталонное направление, а угол Д между главным направлением i —го детектора множества детекторов и эталонным направлением кругового детектора запоминают. При пересечении световым стимулом внешней границы детектора, измерения угла смещения линейной границы проводят для каждого I -го детектора отдельно, отдельно вычисляют названный угол у( и вычисляют сумму at = ( ?, + у;), а полученное множество значений at сравнивают между собой с целью усреднения или уточнения значения угла между направлением смещения светового стимула и эталонным направлением кругового детектора, а также подтверждения, что форма границы стимула является линейной.
Углы пересечения любой пары смежных главных направлений из множества предпочтительно делают равными.
Круговые детекторы соответствующего потенциала используют в качестве детекторов первого мерного поля и второго мерного поля, а также в качестве детекторов поля мерных окружностей и радиального мерного поля, причем эталонное направление для всех круговых детекторов выбирают одинаковым с образованием «эталонного направления поля».
Указанные первое и второе мерные поля, а также радиальное мерное поле и поле мерных окружностей, вместе образующих поля измерений, размещают на светочувствительной матрице так, чтобы точка пересечения главных осей первого мерного поля и второго мерного поля совпадала с центром радиального мерного поля и с центром поля мерных окружностей.
Детектор смещения угловой границы отличается от детектора линейной границы формой большей площадью зоны измерений, которая достигается тем, что кольцевую зону делят не диаметром, а радиусами так, что центральный угол зоны измерений оказывается больше п радиан. А именно для образования детектора угловой границы определяют главное направление для детектора смещения угловой границы и двумя радиусами, образующими с главным направлением углы <р и -<р где <р < , названную кольцевую зону разбивают на два сектора так, чтобы сектор с центральным углом 8 = 2п - 2<р, который используют в качестве зоны измерений, служил для главного направления входом, а сектор с центральным углом 2<р - выходом. Для измерения угла между главным направлением и направлением смещения светового стимула (далее - угол смещения) используют зону измерений и зону выключения измерений, причем в качестве зоны выключения измерений используют центральную зону детектора. Перед измерением угла смещения измеряют и сохраняют значение эталонной освещенности светочувствительных элементов светочувствительной матрицы и число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны детектора, а также выбирают и запоминают «критическое» значение числа или доли светочувствительных элементов зоны выключения измерений. При пересечении световым стимулом внешней границы детектора измеряют текущее значение освещенности светочувствительных элементов, а когда разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента зоны измерений или зоны выключения измерений превысит, по меньшей мере, величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица». Все присвоенные «единичные» значения суммируют отдельно для зоны измерений и зоны выключения измерений до момента, когда сумма единичных значений зоны выключения измерений окажется равной или большей названного критического числа или названной критической доли светочувствительных элементов. После этого сумму единичных значений зоны измерений делят на число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны детектора и, если Результат Деления превышает 1/2, то считают, что световой стимул представляет собой угловую границу, а значение в радианах угла у между главным направлением детектора и направлением смещения светового стимула считают равным Результату Деления, умноженному на 2тт радиан.
Круговой детектор позволяет более точно измерять угол смещения границы в необходимом диапазоне углов благодаря размещению множества детекторов с разными главными направлениями и усреднения измеренных с их помощью значений угла смещения границы (Фиг.50 и Фиг.51). Измерения проводят для каждого Детектора из множества детекторов отдельно с тем, чтобы уточнить угол у смещения линейной границы и ее наличие.
Для идентификации и угла смещения угловой границы образуют круговой детектор, для чего указанный детектор используют в качестве эталона и создают множество копий эталона, вместе с эталоном образующих множество детекторов, указанное множество детектора размещают с центром в одной точке, а главные направления для каждого из детекторов множества выбирают так, чтобы они пересекались в центре детектора, а смежные главные направления пересекались в центре и образовывали в пересечении угол не менее погрешности измерения угла смещения границы Д, причем для кругового детектора определяют единственное эталонное направление, а угол р( между главным направлением i -ro детектора множества детекторов и эталонным направлением кругового детектора запоминают; при пересечении световым стимулом внешней границы детектора, названные измерения проводят для каждого I -го детектора отдельно, отдельно вычисляют названный угол у< и вычисляют сумму а, = (Д + Yi), полученное множество значений а(- сравнивают между собой с целью усреднения или уточнения значения угла менаду направлением смещения стимула и эталонным направлением кругового детектора, а также подтверждения того, что форма внешней границы детектора является угловой.
Углы пересечения любой пары смежных главных направлений из множества предпочтительно делают равными.
Круговые детекторы соответствующего потенциала используют в качестве детекторов первого мерного поля и второго мерного поля, а также в качестве детекторов поля мерных окружностей и радиального мерного поля, причем эталонное направление для всех круговых детекторов выбирают одинаковым с образованием «эталонного направления поля».
Указанные первое и второе мерные поля, а также радиальное мерное поле и поле мерных окружностей, вместе образующих поля измерений, размещают на светочувствительной матрице так, чтобы точка пересечения главных осей первого мерного поля и второго мерного поля совпадала с центром радиального мерного поля и с центром поля мерных окружностей.
Для ломаной линии, имеющей п углов, с помощью Детектора смещения линейной границы измеряют множество углов (y1Jy2,y3, ->Уп) смещения отдельных участков ломаной линии, затем вычисляют разницу смежных углов ( <р = у2 - уг <рп-х = уп - yn_i) или
Figure imgf000023_0001
= у2 - у , ... , рп = уг - уп). Для замкнутой линии разницу смежных углов предпочтительно представляют в виде
Figure imgf000023_0002
= у2 - у1( ...,<рп = У1 - уп). Множество углов (урУг.Уз» -. уп) или (^, <^2, < >3, ... , <рп<) используют в качестве координат вектора N цифрового описания ломаной незамкнутой или замкнутой линии.
Для создания неизменного цифрового описания линии, имеющей и углов и для поиска подобных ей линий на светочувствительную матрицу проецируют световой стимул в форме линии, имеющей и углов, и смещают световой стимул в названных полях измерений, проводят измерения и вычисляют множество значений углов наклона, образуемых названным эталонным направлением поля и каждым из отдельных участков линии (а1,а2, ...,ап), и идентифицируют местоположение углов в сочленении участков линии, причем в качестве множества значений углов наклона а ,а2, ...,ап') выбирают значения, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, на величину погрешности измерения угла смещения границы А. Выбранные значения ранжируют в порядке возрастания или убывания для получения ранжированной последовательности значений углов
Figure imgf000023_0003
Углы, образованные в пересечении смежных участков линии, вычисляют как разницу последовательности ранжированных углов наклона смежных участков линии ?( = а;+1 - а-, а ранжированную последовательность углов наклона (а'1,а'2,, ..., а^') или соответствующую им последовательность разниц углов наклона
Figure imgf000023_0005
- <An-i) или
Figure imgf000023_0004
используют в качестве множества углов названной линии и в качестве неизменного цифрового описания линии для цифровой идентификации названной линии при поворотах ее проекции в плоскости светочувствительной матрицы и при пропорциональном изменении ее размеров.
Для создания неизменного цифрового описания линии, имеющей п углов и для поиска подобных ей линий в качестве стимула используют замкнутую ломаную линию.
Для установления подобия на светочувствительную матрицу в качестве световых стимулов проецируют две или более линий, подобие который проверяется. Линии проецируют одновременно или последовательно. Для каждой из лини вычисляют последовательности разниц углов наклона
Figure imgf000023_0006
или (01>0г> ->Рп)< указанные последовательности сравнивают и, если цифровые описания указанных линий равны, то делают вывод о подобии линий. Для установления равенства подобных линий образованных линиями фигур, с помощью полей измерения дополнительно измеряют расстояние между идентифицированными местоположениями углов в сочленении участков каждой из линий и, если измеренные расстояния равны, то расположенные между идентифицированными углами линии и/или образованные линиями фигуры считают равными.
Очевидно, что с помощью детектора смещения линейной границы можно измерить направления смещения
Figure imgf000024_0001
и у2 границ двух линий и, если направления смещения равны
Figure imgf000024_0002
= у2 в пределах погрешности измерений, то линии считают параллельными.
В общем случае для идентификации параллельности линий на светочувствительную матрицу в качестве световых стимулов проецируют две или более линии, для которых вычисляют и ранжируют последовательности углов наклона
Figure imgf000024_0003
указанные ранжированные последовательности сравнивают и, если цифровые описания указанных линий равны, то такие линии и/или соответствующие их участки считают параллельными.
Для цифровой идентификации правильного многоугольника ломаную замкнутую линию проецируют на светочувствительную матрицу и с помощью детектора углов ломаной линии измеряют размер углов смещения линейной границы (ут, у2,у3, .... уп,) замкнутой линии и вычисляют углы ( 1, 2, 3, ..., <0П,). Значения каждого из углов (<р1д ( 2, <р3, ..., п,) замкнутой ломаной линии сравнивают и, если разница значений не превышает известной погрешности измерений, то замкнутую ломаную линию считают правильным многоугольником.
После обнаружения угла (см. Детектор смещения угловой границы), в качестве первого шага, центр полярных координат матрицы смещают в вершину обнаруженного угла. При этом стороны угла окажутся радиусами полярной системы координат пересекая каждое из колец потенциала в двух точках (далее «боковые точки»). На втором шаге центр полярных координат смещают в любом из направлений, расположенных между названными боковыми точками до тех пор, пока боковые точки хотя бы одного кольца потенциалов (далее «граничное кольцо») не сольются в одну «опорную точку», в которой одна из сторон угла касается «граничного кольца». На третьем шаге после касания граничного кольца, центр полярных координат смещают в направлении от опорной точки к центру полярных координат по линии, соединяющей опорную точку и центр полярных координат до тех пор, пока одно из колец потенциалов не окажется граничным к обоим сторонам угла. На пятом шаге положение центра полярной системы координат сохраняют как точку, лежащую на линии симметрии угла. Для поиска других точек линии симметрии центр полярных координат смещают по линии симметрии, соединяющей вершину угла с центром полярной системы координат, а все точки, лежащие на этой линии, запоминают как точки, лежащие на линии симметрии.
Альтернативно для поиска следующих п точек, лежащих на линии симметрии, повторяют п раз цикл шагов со второго по пятый.
Приведенный выше алгоритм работы детектора линии симметрии имеет сходство с алгоритмом градиентного спуска и является относительно быстрым благодаря точному определению радиального направления, что позволяет связать линией произвольную точку кольца потенциалов и центр полярных координат. Однако алгоритм может работать и в случае определения радиального направления не точно, а с некоторой погрешностью. Поскольку рецептивные поля соседних колец равного потенциала в значительной степени пересекаются друг с другом (Фиг.36), возможность приблизительного определения такого направления представляется очевидной. Тем не менее, для более точного определения радиального направления предпочтительным является использование детектора смещения линейной границы и детектора радиального смещения.
Приведенный выше алгоритм детектора линии симметрии позволяет центру полярных координат двигаться вдоль линии симметрии все время находясь в некоторой окрестности этой линии. Такое движение центра полярных координат светочувствительной матрицы аналогично движению оптического центра глаза вдоль линии симметрии угла.
Как было показано выше с помощью Детектора смещения угловой границы можно идентифицировать вершину угла, с помощью Детектора линии симметрии на сторонах угла можно найти точки, равноудаленные от центра полярных координат, а с помощью Детектора углового размера можно измерить угол в (Фиг.52).
Поэтому для измерения угла сначала с помощью детектора смещения угловой границы идентифицируют местоположения вершины угла, затем с помощью детектора линии симметрии центр полярной системы смещают вдоль биссектрисы угла, а после касания сторонами угла одного и того же кольца рецептивных зон равного потенциала с помощью детектора измерения угла проводят измерение центрального угла полярной системы в, а угол а вычисляют по формуле а = 2тт — в.
Как видно (Фиг.53) площади соседних рецептивных зон могут перекрывать друг друга, что позволяет увеличить точность измерения радиуса рг, на котором расположен стимул, путем усреднения результата измерений.
Если Др = const , то радиальную координату расположения центра последовательных рецептивных зон можно выразить так:
Pt-i = Pi ~ Р.' Pt = PC. Ри = Pt + p
Для усредненного радиуса размещения стимула получим:
_ Pt-i + Pt + Pit i 3 * р; + Др - Др
Р 3 3 Pi
Если Др, = У(1), то радиальную координату расположения центра последовательных рецептивных зон можно выразить так:
Pi-1 — Pi ~ Pii' Pi = Pi.' Pi+1 = Pi + Apt+1
Для усредненного радиуса размещения стимула получим:
Figure imgf000025_0001
Таким образом, наложение друг на друга рецептивных зон позволяет повышать точность измерения путем усреднения измерений по множеству рецептивных зон расположенных с перекрытием площадей или с полным совпадением площадей зон.
Хотя рассуждения были проведены для трех рецептивных зон, очевидно, что результат рассуждений будет аналогичным для любого числа рецептивных зон, причем чем меньше разница Др/ между радиусами последовательных колец одинакового потенциала полярной системы, тем точнее будет результат определения радиальной координаты р расположения стимула, путем усреднения результатов измерения по множеству зон.
Проведем аналогичные рассуждения для детекторов смещения линейной границы и для детектора смещения угловой границы. Для усреднения направления смещения множество N рецептивных зон смещения линейной или угловой границы располагают так, чтобы их площади частично или полностью перекрывались, а зоны работали синхронно. Для полной синхронизации работы названного множества рецептивных зон, предпочтительно чтобы, по меньшей мере, зона выключения измерений была одна для всех зон. Предпочтительно также чтобы рецептивные зоны названного множества полностью совпадали: имели общий центр, одинаковые радиусы внутренней и внешней окружностей, а главное направление f смещения границы i — той зоны менялось по закону <Pi-i = <Pi - <Pi-
При смещении линейной границы в глубь множества зон с совпадающими площадями выключение измерений во всех зонах наступит одновременно, поскольку зоны выключения измерений всех зон множества также совпадают. Рассмотрим, как это работает на примере трех рецептивных зон, площади которых полностью совпадают (Фиг. 54, Фиг.55, Фиг.56). В результате полного совпадения зоны измерений, измерения рецептивных зон будут одновременными, но из- за разных главных направлений каждая из зон получит разные значения угла у между главным направлением f зоны (в полярной системе определяется углом <pt) и направлением смещения границы е стимула (в полярной системе определяется углом <ps)
Figure imgf000026_0001
При постоянном
Figure imgf000026_0002
= const для усреднения угла получим:
Figure imgf000026_0003
При переменном Д ( = /(i) для усреднения угла получим: у = п- \<pt ~ (ps + Д/(01
Хотя рассуждения были проведены для трех рецептивных зон, очевидно, что результат рассуждений будет аналогичным для любого числа рецептивных зон, причем чем меньше разница углов Д<р( между главными направлениями названного множества совпадающих зон, тем точнее будет результат определения направления границы путем усреднения результатов измерения по множеству зон.
Детектор смещения линейной границы позволяет обнаружить сдвиг прямой линии, однако размер линии зачастую выходит за пределы отдельного детектора (рецептивного поля), проходя через несколько детекторов. Для распознавания прямой линии все эти детекторы должны иметь детектор плоской границы, а результаты их работы должны объединяться. Поэтому на матрице создают равномерно или неравномерно распределенное множество детекторов с одинаковым главным направлением. Абсолютно одинаковыми являются детекторы, предназначенные для выявления одного и того же признака, главное направление которых совпадает. Абсолютно одинаковые детекторы могут быть получены путем размещения одного и того же детектора на разные участки светочувствительной матрицы.
«Гомогенным полем детекторов» будем называть множество детекторов, обладающих одинаковым главным направлением, равномерно или неравномерно размещенных на площади светочувствительной матрицы с постоянным или переменным шагом и предназначенных для распознавания одного и того же признака. Аналогичные рассуждения можно предложить в отношении детектора любого другого признака, например, смещения угловой границы. Поскольку заранее неизвестно в каком месте светочувствительной матрицы может появиться такой признак, то необходимо, чтобы детекторы такого признака были равномерно или неравномерно, с постоянным или переменным шагом распределены по площади матрицы и могли обнаружить появление признака в любом месте матрицы.
Поскольку заранее неизвестно в каком направлении будет смещаться такой признак, то необходимо, чтобы на матрице размещалось множество гомогенных полей, имеющих разные главные направления смещения соответствующего признака.
При быстром движении объекта его проекция на светочувствительную матрицу может оказаться «размазанной». Для снижения эффекта «размазывания» матрицу или оптическую систему матрицы поворачивают в сторону смещения объекта так, чтобы компенсировать смещение проекции светового стимула на матрице. Другой задачей является поддержание неизменным расположения проекции стимула на матрице. Обе задачи относятся к классу задач по компенсации смещения стимула на матрице или стабилизации изображения (https://en.wikipedia.org/wiki/lnriage_stabilization). Одним из путей решения названных задач является преобразование координат.
Для измерения смещения проекции светового стимула на матрице используют неподвижно закреплённую на матрице Систему Координат Матрицы (СКМ), которая может быть представлена рассмотренными ранее системами координат - декартовой или полярной.
Если смещение матрицы осуществляют приводом с возвратно поступательным ходом исполнительного механизма, то единственной координатой такого привода является линейная координата шарнира оконечника исполнительного механизма, которым исполнительный механизм крепится к матрице. Выдвигаясь или втягиваясь исполнительный механизм привода смещает (поворачивает) матрицу относительно оси, лежащей в плоскости матрицы и перпендикулярной к направлению хода привода или вокруг точки, лежащей в плоскости матрицы. Если спроецировать на матрицу неподвижный световой стимул, а затем привести в движение исполнительный механизм возвратно-поступательного привода и перевести привод из исходного положения в конечное на единицу длины хода привода, то световой стимул сдвинется в направлении, которое мы назовем «направлением привода», по прямой линии из своего исходного в свое конечное местоположение на матрице, пройдя расстояние, соответствующее единице хода привода. Отметив на матрице две точки соответствующие смещению привода из одного крайнего положения в другое крайнее положение привода и соединив полученные точки прямой, мы получим координатную ось Системы Координат Привода (СКП), на которой мы будем отмечать текущее положение шарнира оконечника исполнительного механизма возвратно-поступательного привода. Используя полученную координатную ось в качестве главной координатной оси мерного поля, создадим мерное поле привода. Теперь необходимые измерения можно проводить в любом месте матрицы, где есть мерное поле привода
Если же смещение матрицы осуществляют приводом с возвратно-вращательным ходом исполнительного механизма, то единственной координатой такого привода является угол поворота исполнительного механизма, который вращаясь по или против часовой стрелке поворачивает матрицу относительно оси, перпендикулярной плоскости матрицы и проходящей через точку, лежащую в плоскости матрицы, желательно совпадающую с геометрическим центрам симметрии матрицы. Если спроецировать на матрицу неподвижный световой стимул, а затем привести в движение исполнительный механизм возвратно-вращательного привода и перевести привод из исходного положения в конечное на единичный угол <р привода, то световой стимул сдвинется на некоторый угол ±<и в направлении по или против часовой стрелки, которое мы назовем «направлением привода», по окружности из своего исходного в свое конечное местоположение на матрице, повернувшись на угол, соответствующий единичному углу привода. Отметив на матрице две точки соответствующие смещению привода из одного крайнего положения в другое крайнее положение привода и соединив полученные точки окружностью, мы получим мерный сектор Системы Координат Привода (СКП), на котором мы будем отмечать текущее положение исполнительного механизма возвратно-вращательного привода. Используя полученную мерную окружность в качестве главной мерной окружности поля мерных окружностей создадим поле мерных окружностей привода. Теперь необходимые измерения можно проводить в любом месте матрицы, где есть поле мерных окружностей привода.
Мерное поле и поле мерных окружностей (или поле мерных секторов) используемые в качестве СКП далее станем называть гомогенными полями привода.
Для решения задач стабилизации изображения, компенсации смещения матрицы и преобразования координат матрицы в координаты привода и обратно требуется преобразование координат из СКМ в СКП и обратно (Фиг.57), а предложенное настоящим изобретением решение снижает вычислительную сложность задачи компенсации смещения стимула.
Для измерения пройденного приводом расстояния или угла поворота привода в СКП можно использовать как детекторы без кольцевой зоны, так и детекторы имеющими главное направление. Гомогенное поле привода, образованное с использованием детекторов смещения границы (с кольцевой зоной) и главным направлением, которое совпадает с направлением смещения на матрице неподвижного светового стимула, вызванного смещением исполнительного механизма привода в избранном направлении, позволяет определить направление смещения привода и измерять расстояния смещения привода, при которых направление смещения стимула соответствует избранному направлению привода. Если в мерном поле или поле мерных окружностей главное направление совпадает с направлением увеличения потенциала детекторов, то потенциал детектора в точке начала движения окажется меньше потенциала детектора в точке окончания движения и гомогенное поле будет измерять только положительные расстояния смещения. Аналогично с полем мерных окружностей или секторов, если одно из направлений - по часовой стрелке или против часовой стрелки является для поля мерных окружностей избранным. Например, в качестве детекторов поля мерных окружностей используются детекторы смещения границы, главное направления каждого из которых направлено по касательной к мерной окружности, на шкале которой размещен центр соответствующего детектора, причем главные направления всех детекторов поля мерных окружностей направлены в одну сторону - или по часовой стрелке или против часовой стрелки.
Таким образом, системе двух приводов будет соответствовать два гомогенных поля приводов, а системе трех приводов матрицы будет соответствовать три гомогенных поля приводов матрицы, причем главное направление одного из гомогенных полей приводов должно быть вращательным, поскольку матрица является плоской и имеет только два измерения. Например, соответствующая двум приводам матрицы, смещающим матрицу в перпендикулярных направлениях (вертикальное и горизонтальное) прямоугольная декартова СКМ должна быть представлена двумя перпендикулярными главными направлениями (вверх или вниз, вправо или влево) или четырьмя попарно перпендикулярными главными направлениями (вверх, вниз, вправо и влево). Вектор смещения проекции объекта по поверхности светочувствительной матрицы в прямоугольной декартовой СКМ представляют как сумму проекций названного вектора на главные направления мерных полей матрицы (Фиг. 36).
Каждое из главных направлений мерных полей Системы Координат Приводов (СКП) матрицы в свою очередь, предпочтительно, представлено направлением поступательного смещения стимула, вызванное движением исполнительного механизма соответствующего привода (Фиг.58). Система Технического Зрения (СТЗ) может оснащаться приводами линейного и/или вращательного движения светочувствительной матрицы. Для перемещения матрицы в произвольном направлении вектор такого смещения представляют как сумму проекций названного вектора на главные направления мерных полей матрицы (Фиг. 36). Смещение матрицы производят, передавая на каждый из приводов команду смещения, соответствующую скалярной величине проекции названного вектора на главное направление соответствующего привода.
Предпочтительно используют два тянуще-толкающих или четыре тянущих (или толкающих) привода с перпендикулярными направлениями перемещения исполнительных механизмов для смещения матрицы в направлениях вверх, вниз, направо и налево. Например, живые мышцы являются примером «тянущего» привода. Поэтому движением глаза в горизонтальном и вертикальном направлении управляют пары тянущих вправо и влево горизонтальных и соответственно вверх и вниз вертикальных прямых мышц глаза. На матрице размещают по одному гомогенному полю детекторов для приводов любого типа, поэтому для тянуще-толкающих приводов достаточно одного поля для двух направлений движения, а для только тянущих или только толкающих приводов необходимо по одному гомогенному полю для каждого из направлений смещения. Предпочтительными главными направлениями названных гомогенных попей детекторов являются соответствующие приводам направления вверх, вниз, направо и налево, причем коллинеарные направления вверх и вниз перпендикулярны коллинеарным направлениям вправо / влево, а все четыре названных направления образуют ортогональную систему декартовых координат (Фиг. 37) направления которой соответствуют или коллинеарны направлениям приводов смещения матрицы.
Для решения задач практического применения преобразования координат СКП в координаты СКМ необходимо знать передаточное отношение привода. Поэтому на матрице определяют, по меньшей мере, одно направление смещения неподвижного светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы, вызванного перемещением исполнительного механизма конкретного привода светочувствительной матрицы (далее «направление привода»), и создают на матрице мерное поле (далее - гомогенное поле привода), направление главной оси которого совпадает с направлением привода. Передаточное отношение привода светочувствительной матрицы вычисляют как отношение изменения потенциала детекторов главной координатной оси гомогенного поля привода или ее копии, на которые воздействовал неподвижный световой стимул до и после указанного линейного смещения светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы к соответствующему изменению местоположения указанного привода.
Рассмотрим работу привода (Фиг.38) и преобразование смещение привода в координаты матрицы. Расстояние смещения в координатах СКМ вертикальной Lv и горизонтальной Lg границ прямо пропорционально степени смещения соответствующих вертикальных Dv и горизонтальных Dg приводов:
Lv к Dv g '* Dn TO:
,
Lv = pv * Dv, где pv - является передаточным отношением вертикального привода.
Figure imgf000030_0001
max
Lg = Pg * Dg, где Pg = ^max является передаточным отношением горизонтального привода.
В формулах выше D™"* и ^““ - максимальные вертикальное и горизонтальное смещения привода, a LJ““H LJ““ - соответствующее им максимальное вертикальное и горизонтальное смещение стимула на матрице соответственно.
Ранее было показано, что расстояние Lv вертикального смещения стимула пропорционально изменению потенциалов (S(+1 y - 5i;) рецептивных зон гомогенного поля с вертикальным главным направлением Lv = kv * (Si+1 ; - Stj), аналогично расстояние горизонтального смещения стимула пропорционально изменению потенциалов рецептивных зон гомогенного поля с горизонтальным главным направлением Lg
Figure imgf000030_0002
Это позволяет использовать изменение потенциалов рецептивных зон соответствующего гомогенного поля рецептивных зон непосредственно в качестве управляющего сигнала соответствующего привода:
Figure imgf000030_0003
При kg = kv = 1 получим что расстояние смещения привода равно разнице потенциалов начального и конечного местоположения стимула, деленной на передаточное отношение:
Figure imgf000030_0004
Для практических целей бывает необходимо стабилизировать изображение - чтобы подвижное изображение не меняло своего местоположения на светочувствительной матрице. В настоящее время такая задача решается механическим, цифровым или оптическим способами стабилизации. Настоящее изобретение предлагает способ стабилизации изображения с помощью заявленной системы измерений.
Рассмотрим привод матрицы, предназначенный для линейного перемещения матрицы в направлении f (Фиг.59а). Спроецируем на матрицу изображение неподвижного стимула и начнем переводить исполнительных механизм привода из положения Dmln в положение Dmax. В результате движения привода неподвижный стимул станет двигаться по матрице в направлении, соответствующим смещению привода, которое мы станем называть направлением привода на матрице. Для измерения расстояния смещения проекции стимула, вызванного смещением исполнительного механизма привода, создадим на матрице координатную ось со шкалой и с началом в некоторой точке матрицы так, чтобы точки и Lmin и Lmax соответствующие точкам Dmin и Dmax привода, лежали на названной координатной оси и оставались в поле светочувствительной матрицы. Направление такой оси далее будем называть «направлением привода» на матрице. Создадим теперь на матрице полярную или декартову систему координат и закрепим ее на матрице неподвижно (далее «система координат матрицы - СКМ). Привод обеспечивает смещение матрицы из точки 1 в точку 2 на расстояние AD = Dz - D1, причем матрица смещается вместе с системой координат матрицы (Фиг.59Ь). Привод жестко соединен с матрицей шарниром оконечника (далее «шарнир»), поэтому местоположением шарнира в СКМ меняться не будет. Для удобства местоположением шарнира в СКМ можно считать точку, совпадающую с центром СКМ. Поскольку при смещении привода шарнир смещается вдоль оси координат привода (система координат привода - СКП), то начало оси координат привода будет также смещаться по матрице. То есть при движении привода СКМ будет двигаться относительно СКП. СКМ будет смещаться в направлении, соответствующем смещению привода, а начало СКП соответственно в обратном направлении. Если спроецированное на матрицу изображение неподвижно, то смещение матрицы приведет к смещению изображения на матрице на расстояние AL = L2 - L1, измеренное в СКМ (Фиг. 60), причем расстояние Д будет пропорционально смещению привода ДО, измеренному в СКП. Коэффициент пропорциональности р =
Figure imgf000031_0001
— представляет собой передаточное отношение и позволяет связать расстояние смещения неподвижного изображения на матрице ДЕ с расстоянием смещения привода матрицы ДО. Значение передаточного отношения может быть удобно дипах вычислять как отношение максимальных смещений р = Dmax, где ДОт“ = Dmax - Dmln и Мтах = max _ [jm^n
Для придания матрице трех степеней свободы, матрицу можно поворачивать по направлению часовой стрелки или против него в плоскости полярной системы координат, а для этого матрицу снабжают приводом, поворачивающим матрицу вокруг оси Z, предпочтительно проходящей через центр полярной системы координат матрицы в точке с неизменными координатами р = 0 и
Figure imgf000031_0002
- 0 и перпендикулярной плоскости матрицы. Для измерения угла поворота матрицы вокруг ocn Z матрицу снабжают полем мерных окружностей, которое позволяет измерять полярный угол поворота матрицы вокруг оси Z относительно полярного радиуса ОЛ, который в исходном положении полярной системы (Фиг.65) имеет направление с полярным углом р = 0, который определён координатами неподвижного стимула А(р, = 0). Угол поворота матрицы г (Фиг.66) вокруг координатной оси Z считают равным изменению полярного угла <р относительно полярного радиуса ОА, взятому с обратным знаком т = -<р. Знак меняет значение из-за того, что поворот матрицы по часовой стрелке вместе с закрепленной на матрице полярной системой приводит к смещению стимула Л в направлении против часовой стрелки, так как стимул А является неподвижным. При этом в мерных полях привода (система координат X, Y) стимул А движется по окружности с центром в точке О с радиусом ОА.
Выражение передаточного отношения для возвратно-вращательного привода примет вид р = ~^та , где ртах = (pmax — (pmin, a ртах и (рт1п соответственно максимальный и минимальным углы поворота матрицы, и Д оот“* = штах - ат‘п где штах шт‘п соответствующие максимальный и минимальный углы поворота привода.
Используем размещенную на матрице ранее координатную ось в качестве главной координатной оси для образования на светочувствительной матрице мерного поля (Фиг. 61) и будем измерять в мерном поле расстояние L смещения стимула, вызванное смещением исполнительного механизма привода. Система полярных координат, закрепленная на матрице, будет перемещаться вместе с матрицей в поле оси координат привода вправо и влево. Созданное мерное поле можно использовать для измерения расстояния при движении привода и влево и вправо (Фиг.62) с помощью измерения потенциала детекторов в точке начала и конца движения стимула L = k * (S2 — 5г), при этом направление смещения привода станем определять по знаку разницы AL = Lz - L1 = k * (S2 - ), если знак положительный, то движение стимула происходит в направлении увеличения значений шкапы координатной оси, а если отрицательный, то движение стимула происходит в направлении уменьшения значений.
В другом исполнении для определения направления движения стимула можно использовать детекторы смещения линейной или угловой границы, главное направление которых совпадает с направлением главной координатной оси мерного поля. В таком исполнении для каждого направления движения привода можно использовать два перекрывающих друг друга мерных поля с противоположными главным направлениями детекторов смещения линейной или угловой границы (Фиг.63).
В качестве нулевой отметки местоположения матрицы в координатах мерного поля привода разумно выбрать среднее между от Lmtn и Lmax, то есть значение L = Lmln + —у—. Это позволяет при необходимости смещать матрицу вправо или влево на расстояние ±— . Такое решение удобно использовать, если для смещения матрицы в направлении одной оси используются два тянущих привода, то есть два привода, которые могут только сокращаться как мышцы. Так работают пары прямых и косых мышц глаза.
Описанным выше способом можно создать поля привода для привода с любым направлением привода. Для примера (Фиг.64) показана система координат второго привода с вертикальным смещением, направление которого перпендикулярно направлению смещения привода, который мы обсуждали ранее.
В одном из исполнений исходное местоположение матрицы, соответствующее нулевому значению координатной оси местоположения привода (далее «нулевая отметка привода»), может быть смещено в матрицы так, чтобы от нулевой отметки до края матрицы расстояние было равно . ДД
+—т —ах или равно другой и величине, определенной целями использования устройства приводов матрицы. При расположении нулевой отметки привода в центре матрицы предпочтительно также, чтобы местоположение на матрице нулевой отметки привода (точка О на Фиг.65) совпадало с центром полярной системы координат. В таком исполнении весь диапазон ДДУ и ДДХ вертикальной У и горизонтальной X координатных осей декартовой системы координат приводов окажется разбит на два диапазона а центр полярной системы
Figure imgf000032_0001
координат матрицы будет совпадать с центром декартовой системы координат приводов - точкой О с координатами Lx = О и Ly = 0, (Фиг.65) и текущими координатами точки О в полярной системе будут координаты р = 0 и р = 0.
При воздействии светового стимула В на светочувствительную матрицу (Фиг.67) измеренными координатами стимула в декартовой системе координат привода будут H(Lx, Ly), а в полярной системе координат матрицы В р, <р). Для перемещения матрицы в положение, при котором центр полярной системы координат совпадет с местоположением стимула на светочувствительной матрице (Фиг. 68), необходимо переместить вертикальный и горизонтальный приводы соответственно на расстояния ADy = p * Ly = p * (p * sirup) и ADX = p * Lx = p * (p * cos<p), где ADy и ADX - расстояние смещения приводов по оси Y и по оси X соответственно, р - передаточное отношение привода, р и <р - полярные радиус и угол местоположения стимула в полярной системе матрицы перед ее смещением, Lx n Ly — расстояние от начала координатной оси ( от нулевой отметки шкалы) до проекции стимула на эту ось.
После перемещения центра полярной системы координат в точку местоположения стимула на светочувствительной матрице, координаты точки 0 в полярной системе координат изменятся с р и <р на р и (<р + п), а координаты Lx = 0 и Ly = 0 останутся прежними.
Для возвращения центра полярной системы координат в исходную точку 0, проекция которой на оси X и Y совпадает с нулевыми отметками шкалы названных осей, приводы необходимо переместить на те же расстояния, но с обратным знаком. Такое перемещение соответствует смещению центра полярной системы на величину радиуса, связывающего центр полярной системы координат и точку О в направлении названного радиуса без изменения значения полярного угла. При этом значение радиуса точки О в полярной системе координат уменьшается до нуля.
Стабилизация изображения на матрице осуществляют следующим образом: перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода. Из конечного потенциала вычитают исходный потенциал, а полученную «разницу потенциалов» делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы, а полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение в гомогенном поле привода на светочувствительной матрице. Если значение разницы потенциалов является положительной величиной, то перемещение привода осуществляют в направлении привода и, если значение разницы потенциалов является отрицательной величиной, то перемещение привода осуществляют в направлении противоположном направлению привода.
Другим способом осуществления стабилизации изображения является использование в качестве детекторов гомогенного поля привода детекторов линейной границы или детекторов угловой границы, главное направление которых совпадает с направлением главной координатной оси гомогенного поля привода. Перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода. Вычисляют разницу между исходным и конечным потенциалами, полученную разницу делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы и полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение на светочувствительной матрице. При смещении светового стимула на матрице также измеряют значение угла смещения линейной или угловой границы светового стимула и, если значение угла находится в пределах < |±у| < тг, то привод перемещают в направлении привода, а если значение угла находится в пределах 0 < |±у| < то привод перемещают в направлении противоположном направлению привода.
Для задач стабилизации изображения, измерения формы, кривизны и размеров стимула может использоваться поле мерных окружностей матрицы. Для создания поля мерных окружностей определяют, по меньшей мере, одно направление смещения неподвижного светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы вдоль окружности с центром неподвижно закрепленным на светочувствительной матрице, вызванного перемещением исполнительного механизма конкретного привода светочувствительной матрицы (далее «направление привода»), и создают поле мерных окружностей (далее - гомогенное поле привода), которое располагают на светочувствительной матрице так, чтобы центр поля мерных окружностей совпадал с центром указанной окружности, а направление привода совпадало с направлением увеличения значений полярного угла; передаточное отношение привода светочувствительной матрицы вычисляют как отношение изменения потенциала детекторов главной мерной окружности гомогенного поля привода или ее копии на которые воздействовал неподвижный световой стимул до и после указанного смещения светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы к соответствующему изменению местоположения указанного привода.
Перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода. Из конечного потенциала вычитают исходный потенциал, а полученную «разницу потенциалов» делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы и полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение гомогенного поля привода на светочувствительной матрице. Если значение разницы потенциалов является положительной величиной, то привод перемещают в направлении привода и, если значение разницы потенциалов является отрицательной величиной, то привод перемещают в направлении противоположном направлению привода. В реальных условиях светочувствительную матрицу оснащают множеством приводов с возвратно-поступательным или возвратно-вращательным движением исполнительного механизма и для каждого из приводов создают гомогенное поле привода. При смещении светового стимула из исходного местоположения на светочувствительной матрице, соответствующего текущему местоположению каждого из множества приводов, в конечное местоположение светового стимула на светочувствительной матрице, отдельно для каждого из приводов множества рассчитывают расстояние между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение гомогенного поля привода на светочувствительной матрице.
Назовем местоположение стабилизированного изображения эталонным. Для поддержания стимула в эталонном местоположении на матрице создают множество из двух приводов, а для образования декартовой системы гомогенных полей первого и второго приводов используют мерные поля, а соответствующие мерным полям направления приводов выбирают такими, чтобы главные координатные оси мерных полей первого и второго приводов на светочувствительной матрице пересекались под прямым углом и начинались в одной точке с образованием центра системы, на светочувствительной матрице выбирают эталонное местоположение, измеряют потенциалы детекторов гомогенных полей первого и второго приводов для эталонного местоположения и запоминают указанные потенциалы детекторов в качестве потенциалов эталонного местоположения светочувствительной матрицы, соответствующих эталонному местоположению первого и второго приводов; при воздействии светового стимула на детекторы первого и второго гомогенных полей приводов, потенциалы таких детекторов определяют, для первого и второго приводов отдельно рассчитывают расстояние между эталонным местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул займет указанное эталонное местоположение на светочувствительной матрице. Каждый из приводов перемещают с использованием рассчитанного для него расстояния, что позволяет переместить световой стимул в эталонное местоположение матрицы.
Для осуществления измерений полярного угла и радиуса подвижного светового стимула, а также для измерений формы и кривизны стимула в полярной системе координат путем вращения матрицы вокруг центра полярной системы координат дополнительно создают третий привод и для третьего привода используют поле мерных окружностей с соответствующим ему направлением привода и местоположением центра мерных окружностей, закрепленным на светочувствительной матрице в эталонном местоположении. При воздействии светового стимула на детекторы первого и второго гомогенных полей приводов, потенциалы таких детекторов определяют, для первого и второго приводов отдельно рассчитывают расстояние между эталонным местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул займет указанное эталонное местоположение на светочувствительной матрице. Первый и второй приводы перемещают с использованием рассчитанного для них расстояния, что позволяет совместить местоположение стимула с местоположением центра мерных окружностей (полярная система координат), закрепленным на матрице в эталонном местоположении. В задачах практического применения иногда требуется преобразовать координаты подвижной системы координат в неподвижную и обратно, причем подвижная и неподвижная системы координат могут быть представлены полярной системой координат и декартовой системами координат. В таком случае на светочувствительной матрице создают декартову систему мерных полей по (далее - первая система координат), затем создают копию декартовой системы мерных полей (далее - вторая система координат). Одну из созданных систем координат закрепляют на светочувствительной матрице с образованием неподвижной системы координат, а вторую - перемещают по светочувствительной матрице с образованием подвижной системы координат. Приводы светочувствительной матрицы приводят в некоторое эталонное местоположение приводов, а подвижную и неподвижную системы координат размещают на светочувствительной матрице так, чтобы для эталонного местоположения указанных приводов центр неподвижной системы координат совладал с центром подвижной системы координат. При перемещении соответствующего привода из начального местоположения в конечное местоположение, определяют расстояние перемещения привода и с помощью названного передаточного отношения привода вычисляют значение смещения центра подвижной системы координат в координатном поле неподвижной системы координат светочувствительной матрицы из начальной в конечную точку, а центр подвижной системы координат смещают так, чтобы потенциал детектора в месте расположения центра подвижной системы координат изменился в соответствии с вычисленным значением. При перемещении центра подвижной системы координат из первой во вторую точку неподвижной системы координат, определяют изменение потенциалов детекторов неподвижной системы координат в первой и второй точках и с помощью передаточного отношения привода светочувствительной матрицы вычисляют смещение привода, соответствующего направлению соответствующей главной оси мерного поля или полярного угла.
Альтернативно подвижная и неподвижная системы координат могут быть представлены декартовыми системами координат. Поэтому на светочувствительной матрице создают декартову систему мерных полей (далее - первая система координат), затем создают полярную систему координат матрицы, радиальная шкала которой совпадает со шкалой главных координатных осей мерных полей (далее - вторая система координат). Одну из созданных систем координат закрепляют на светочувствительной матрице (далее - неподвижная система координат), а вторую - перемещают по светочувствительной матрице (далее - подвижная система координат). Приводы светочувствительной матрицы приводят в эталонное местоположение приводов, а подвижную и неподвижную системы координат размещают на светочувствительной матрице так, чтобы для эталонного местоположения приводов центр неподвижной системы координат совпадал с центром подвижной системы координат. При перемещении соответствующего привода светочувствительной матрицы из начального местоположения в конечное местоположение, определяют расстояние перемещения привода и с помощью его передаточного отношения вычисляют значение смещения центра подвижной системы координат в координатном поле неподвижной системы координат светочувствительной матрицы из начальной в конечную точку, а центр подвижной системы координат смещают так, чтобы потенциал детектора в месте расположения центра подвижной системы координат изменился в соответствии с вычисленным значением. А при перемещении центра подвижной системы координат из первой во вторую точку неподвижной системы координат, определяют изменение потенциалов детекторов неподвижной системы координат в первой и второй точках и с помощью названного передаточного отношения привода светочувствительной матрицы вычисляют смещение привода, соответствующее направлению соответствующей главной координатной оси мерного поля или полярного угла.
Итак, мы создали на матрице координатную систему из двух мерных полей матрицы для измерения местоположения на матрице точки, соответствующей текущему местоположению приводов, текущему расположению центра полярной системы и текущему положению стимула на матрице, а также полярную систему координат, представленную радиальным мерным полем для измерения полярного радиуса стимула и полем мерных окружностей для измерения полярного угла стимула. Причем поле мерных окружностей позволяет также измерять полярный угол поворота матрицы вокруг оси Z.
Несмотря на то, что в приведенном примере для простоты рассмотрены приводы, осуществляющие перемещение в обе стороны (тянут и толкают), на практике приводы могут быть или только толкающие или только тянущие, поэтому каждое из главных направлений рецептивных полей привода может обслуживаться отдельным приводом.
Если смещение приводов перпендикулярно друг другу, то они образуют прямоугольную систему координат, то есть можно сказать, что два поля второго привода позволяют измерять смещение привода в двух направлениях вдоль оси Y, в то время как два направления первой оси позволяют измерять смещение привода в направлении оси X декартовой прямоугольной системы координат. Понятно, что главные направления полей приводов должны соответствовать (быть условно «соосны») направлениям смещения приводов и потому могут пересекаться углом, соответствующим геометрии расположения приводов.
Инженерам, знакомым с уровнем техники должно быть понятно, что число приводов и их расположение может быть иным и система координат привода может быть любой другой, но общность приведенных выше рассуждений сохранится и позволит такую систему создать с использованием приведенных соображений. Необходимость связывания координат привода с координатами матрицы не изменится и может быть выполнена по аналогии с описанным механизмом осуществления связи систем координат. Знакомым с уровнем техники также очевидно, что вместо самой матрицы перемещать можно оптическую систему, которая проецирует изображение на матрицу, в таком случае приведенный пример будет описывать связь координат перемещения элементов оптической системы с системой координат, закрепленной на матрице.
Проекция на сетчатку аффинного преобразование куба может иметь форму правильного шестиугольника (Фиг.69).
В природе встречаются живые существа и неживые структуры, обладающие формой правильного многоугольника, часто шестиугольника или пятиугольника. Для тетрагональной и гексагональной упаковки светочувствительных элементов матрицы также характерны углы 120°. Для усреднения результатов измерений кругового детектора смещения границы или произвольного множества детекторов смещения границы, необходимо чтобы множество детекторов обладало хотя тремя отличными друг от друга главными направлениями. Поэтому представляется разумным помимо гомогенных полей горизонтального и вертикального края, иметь также гомогенные рецептивные поля трех главных тетрагональных направлений, смещенных относительно главных направлений гомогенных полей вертикального и горизонтального края (Фиг.70). Результаты измерений освещенности светочувствительными элементами матрицы могут передаваться одновременно разным детекторам. Это позволяет спроецировать на одно и тоже место матрицы множество схем различных детекторов, а затем передавать и анализировать значения освещенности каждого светочувствительного элемента для анализа разным детекторам. Кроме того, каждый светочувствительный элемент может быть частью поля смежных рецептивных полей (Фиг.36), а сигналы светочувствительного элемента могут анализироваться одновременно детекторами смежных рецептивных полей. Таким образом, светочувствительные элементы одного и того же рецептивного поля могут одновременно поступать в разные детекторы такого рецептивного поля и анализироваться на предмет формы границы, освещенности, цвету или подвергаться любому другому известному виду анализа. Это позволяет одному и тому же рецептивному полю быть частью гомогенных рецептивных полей разной функциональности, а матрице позволяет анализировать различные стимулы в любом месте светочувствительной матрицы.
На матрице создают множество детекторов смещения линейной границы с одинаковым главным направлением, расположенных на матрице равномерно или неравномерно, с пересечением или без пересечения полей смежных детекторов, а полученные от множества детекторов результаты измерений сравнивают и, если результаты смежных детекторов совпадают в пределах заданной погрешности, то их считают одинаковыми. Направление смещения линейной границы рассчитывают исходя из числа смежных детекторов с одинаковыми результатами измерений направления, а размер плоской границы рассчитывают исходя из числа смежных детекторов с одинаковыми результатами измерений смещения границы, полученными в пределах определенного промежутка времени, а также геометрии размещения детекторов на матрице.
На матрице создают множество детекторов смещения угловой границы с одинаковым главным направлением и конгруэнтной формой активной и пассивной зон, расположенных на матрице равномерно или неравномерно, с пересечением или без пересечения полей смежных детекторов, а полученные от множества детекторов результаты измерений сравнивают и, если результаты смежных детекторов совпадают в пределах заданной погрешности, то их считают одинаковыми, а последовательность получения одинаковых результатов считают направлением смещения пятна. Наличие и направление смещения угловой границы рассчитывают исходя из числа смежных детекторов с одинаковыми результатами измерений наличия угловой границы и направления ее смещения.
На матрице создают множество детекторов пятна, расположенных на матрице равномерно или неравномерно, с пересечением или без пересечения полей смежных детекторов, а полученные от множества детекторов результаты измерений сравнивают и, если результаты смежных детекторов совпадают в пределах заданной погрешности, то их считают одинаковыми, а последовательность получения одинаковых результатов считают направлением смещения пятна. Наличие и направление смещения круговой границы рассчитывают исходя из числа смежных детекторов с одинаковыми результатами измерений наличия угловой границы и направления ее смещения.
Для создания детектора кривизны поверхности выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, перед измерением кривизны поверхности по ее проекции на светочувствительную матрицу площадь светочувствительной матрицы разбивают на два или более участков эталонного размера или формы и каждый из участков настраивают так, чтобы в условиях одинаковой освещенности всех участков, измеренное разными участками значение освещенности отличалось, для чего к системе измерения освещенности поверхности или подключают долю всех светочувствительных элементов соответствующего участка, а указанную долю уменьшают или увели ивают пропорционально значению D, которое используют в качестве значения плотности подключенных к системе измерения освещенности поверхности светочувствительных элементов участка матрицы, или подключают все светочувствительные элементы соответствующего участка, а измеренное ими значение освещенности снижают или увеличивают пропорционально значению D, которое используют в качестве значения чувствительности светочувствительных элементов.
Поясним это на примере с изменением плотности чувствительных элементов светочувствительной матрицы, хотя вместо плотности изменять можно чувствительность светочувствительных элементов матрицы к уровню освещенности.
Осветим эталонную сферу равномерным световым потоком, и рассмотрим, как меняется освещенность поверхности сферы в ее центральном сечении из-за изменения угла падения света р (Фиг.71).
Заметим, что угол зрения на поверхность а (Фиг.71) связан с углом падения света р выражением а
Figure imgf000039_0001
— р, поэтому sina = cosp. Назовем точку максимальной освещенности эталонной сферы Р — полюсом (Р = 0; а = ^), а освещенность полюса Р сферы радиуса R обозначим через Е экватором сферы назовем точку с наименьшей освещенностью (Р =
Figure imgf000039_0002
а - 0), а кратчайшую линию, соединяющую полюс с любой точкой экватора, назовем меридианом. Разместим в центр полярной системы координат в полюсе сферы и станем измерять освещенность точки А меридиана сферы на расстоянии р от центра полярных координат.
Известно, что освещенность можно выразить формулой через угол падения света р
Figure imgf000039_0003
Поэтому отношение освещенностей двух точек сферы бесконечно удаленным источником можно выразить через углы падения:
Figure imgf000039_0004
В силу а = - р для точек эталонной сферы можно записать:
Figure imgf000039_0005
где R - радиус эталонной сферы, Ер - освещенность полюса эталонной сферы, р - расстояние от полюса Р до точки А.
Известна формула освещенности Е = , где dS -единичная площадь. Если плотность D светочувствительных элементов матрицы от центра к периферии меняться, то D = ~. Тогда
Figure imgf000040_0001
D^. Если две точки матрицы освещены световым потоком одинаковой силы, то отношение измеренных освещенностей этих точек, тем не менее, окажется разным и будет равно отношению плотности светочувствительных элементов в этих точках:
Figure imgf000040_0002
Наложим на светочувствительную матрицу неподвижную полярную систему координат матрицы (СКМ), а систему измерения освещенности матрицы модифицируем так, чтобы плотность D светочувствительных элементов подключенных к системе измерений в любой точке А матрицы, расположенной на расстоянии р от центра О полярной системы координат менялась так, будто точка А является точкой эталонной сферы радиуса R, удаленной на расстояние р от полюса освещенности эталонной сферы, а точка О является полюсом Р эталонной сферы (Фиг.46):
Figure imgf000040_0003
Или
Figure imgf000040_0004
Проведем эксперименты освещая равномерным световым потоком плоскую поверхность и сферу и измеряя освещенность модифицированной матрицы световым потоком, отраженном от плоской поверхности и сферы.
Сначала осветим плоскую поверхность равномерным потоком рассеянного света, а в Отраженный от поверхности поток поместим модифицированную матрицу. Предположим, что поток отражается от поверхности без потерь и освещенность матрицы равна истинной освещенности поверхности: Ep = Eori9. Сравним измеренную освещенность модифицированной матрицы ер отраженным от плоской поверхности потоком с истинной освещенностью Е0Г19 плоской поверхности. Так как поверхность плоская, а свет отражается от нее без потерь, то истинная освещенность E°ri9 в точке центра полярных координат О и в произвольной точке Я площади модифицированной матрицы будет одинаковой Ер = ЕА = Е°П9. Однако из-за снижении плотности светочувствительных элементов от центра к периферии полярной системы координат, измеренная освещенность модифицированной матрицы в названных точках 0 и А окажется разной: освещенность ер в центре полярной системы координат и освещенность еА в точке А на расстоянии р от центра координат. Соотношение измеренных освещенностей модифицированной матрицы назовем коэффициентом модификации , а законом его изменения сделаем закон изменения освещенности эталонной сферы радиуса R
Figure imgf000040_0005
В центре координат р = 0 и потому К = 1, значит измеренная освещенность еР = К * Е0Г1а = не отличается от истинной. В точке А на расстоянии р > 0 от центра координат К < 1 и поэтому eA ss к *E°ds < Eori9. To есть при равномерной освещенности модифицированной матрицы освещенность центра координат 0 измеряется без потерь (в идеальном случае), а измеренная освещенность периферии подавляется пропорционально коэффициенту модификации.
Теперь осветим произвольную сферу радиуса г потоком Eoria, поместим модифицированную матрицу в отраженный от сферы световой поток, затем совместим точку проекции полюса освещенности сферы Р на матрицу с центром полярных координат О модифицированной матрицы и измерим освещенность проекций точек Р и А на модифицированную матрицу. Предположим, что полюс сферы отражает весь световой поток без потерь, тогда истинная освещенность проекции полюса сферы на модифицированную матрицу окажется равной Ep — Eorie, а истинная освещенность проекции точки А сферы на матрицу окажется равной:
Figure imgf000041_0001
Поскольку центр полярной системы координат О совмещен с полюсом сферы Р, то р = 0 и коэффициент модификации К — 1, и значит измеренная освещенность полюса еР = Ер = Еог‘9. Однако проекции точки А сферы на матрицу находится от полюса на расстоянии р > 0, коэффициент модификации К < 1 и значит ел = К » Ел = К * к * Еог‘в) - К * к * Еог1а
Поэтому:
Figure imgf000041_0002
Теперь переместим центр полярной системы координат матрицы О так, чтобы проекция на матрицу полюса Р сферы оказалась на расстоянии р от центра координат О, а проекция на матрицу точки Я сферы совпадала с центром полярной системы координат О. Теперь в качестве измеренной освещенности точек Р и А получим:
Figure imgf000041_0003
И тогда:
Figure imgf000041_0004
Очевидно, что при — = 1, радиус измеряемой сферы г соответствует радиусу эталонной ер сферы R = г. Если — > 1, то радиус измеряемой сферы г больше радиуса эталонной сферы R > г, вр и если — < 1, то радиус проекции сферы г меньше радиуса эталонной сферы R < г.
•р
Таким образом, указанное значение D плотности или чувствительности подключенных к системе измерения освещенности светочувствительных элементов указанных участков матрицы, снижают от центра к периферии полярной системы координат согласно закону изменения освещенности эталонной поверхности в направлении от точки максимальной освещенности (далее - полюс освещенности) к периферии; выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, проецируют ее на светочувствительную матрицу и измеряют кривизну с использованием проекции поверхности на светочувствительную матрицу, для чего на указанной проекции выбирают точку полюса освещенности поверхности - “Р” , с которой совмещают центр полярной системы координат - «0», затем центр полярной системы координат О смещают так, чтобы расстояние на светочувствительной матрице между точками О и Р увеличивалось, и одновременно измеряют освещенности светочувствительной матрицы в названных точках; если измеренные значения освещенности названных точек О и Р равны с допустимой погрешностью Д5", то принимают решение о том, что радиус кривизны поверхности совпадает с радиусом кривизны эталонной поверхности, если измеренное значение освещенности центра полярной системы координат О превышает измеренное значение освещенности точки полюса освещенности поверхности Р более чем на Д£, то принимают решение о том, что радиус поверхности больше радиуса эталонной поверхности, если измеренное значение освещенности полюса поверхности Р превышает измеренное значение освещенности центра полярной системы координат О более, чем на ЛЕ, то принимают решение о том, что радиус эталонной поверхности больше радиуса измеренной кривизны поверхности.
Для множества (1,2,3, ..., /V) эталонных поверхностей с радиусами R,, где (1 < i < N) создают множество схем детекторов кривизны, а законы изменения плотности светочувствительных элементов в полярной системе координат для каждой схемы делают разными Dt <х f(p, <р = const). При измерении кривизны произвольной поверхности Rt из множества схем детекторов выбирают такую, для которой выполняется — = 1 ± Д, где Д -допустимая «1 погрешность измерений, а радиус кривизны произвольной поверхности Rt считают равным радиусу Я( эталонной сферы, закон изменения освещенности которой соответствует функции fi(p,<p - const) выбранного детектора £>,.
Аналогичные рассуждения можно провести и для измерения кривизны поверхности цилиндра и других поверхностей. Представленный эффект равенства освещенностей в точке полюса и произвольной точке на проекции поверхности на матрицу легко проиллюстрировать (Фиг.72).
Как видно из рисунка (Фиг.72) после смещения центра полярной системы относительно полюса освещенности фигуры, в образовавшемся между ними пространстве пересекаются графики функции изменения освещенности эталонной поверхности и функции изменения плотности светочувствительных элементов, являющейся зеркальным отражением функции изменения освещенности эталонной поверхности. Сумма значений функций в точках О и Р окажется одинаковой независимо от смещения точек относительно друг друга.
Можно представить, что окружности разной плотности в полярной системе образуются путем вращения функции изменения плотности светочувствительных элементов вокруг центра полярной системы О. Поэтому при смещении полюса освещенности Р поверхности в любую сторону от центра полярной системы О, снижение освещенности в центре полярных координат О компенсируется пропорциональным уменьшением плотности светочувствительных элементов в точке Р (Фиг.72), в результате этого измеренная освещенность в точках О и Р всегда оказывается одинаковой. Такое равенство измеренных освещенностей будет наблюдаться и при более сложной форме поверхности. На рисунке (Фиг.73) функция изменения освещенности эталонной фигуры показана сплошной линией, а симметричная относительно центра полярной системы О функция изменения плотности светочувствительных элементов на матрице показана пунктиром. Несмотря на сохранения равенства измеренных освещенностей в точках О и Р, абсолютные значения измеренной освещенности для разных расстояний ежду точками О и Р будут разными.
Выбор множества функций изменения плотности, подключенных в системе измерения светочувствительных элементов вдоль радиуса полярной системы, позволяет создать множество фильтров измерения формы эталонных поверхностей, чтобы каждая из выбранных функций позволяла измерить кривизну поверхности определенной формы.
Выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, перед измерением кривизны поверхности по ее проекции к системе измерения освещенности поверхности или подключают долю всех светочувствительных элементов, или подключают все светочувствительные элементы соответствующего детектора мерного поля или радиального мерного поля или поля мерных окружностей.
Для измерения кривизны выбранной поверхности произвольной формы в ее проекции на светочувствительную матрицу^ измеряют освещенность светочувствительных элементов каждого детектора подключенного к системе измерения освещенности; из множества значений измеренной освещенности детекторов выбирают наибольшее из измеренных значений освещенности, а значение высоты поверхности в месте расположения детектора вычисляют как отношение измеренного детектором значения освещенности к наибольшему из измеренных значений, а полученное значение высоты ставят 8 соответствие значению местоположения детектора в первой или второй системе координат матрицы.
Построение функции высот поверхности в любой точке можно осуществлять прямым преобразованием измеренного значения освещенности в значение высоты поверхности, не прибегая к изменению плотности подключенных к системе измерений светочувствительных элементов матрицы или их чувствительности.
Ранее было показано, что изменение измеренной освещенности пропорционально изменению кривизны поверхности (Фиг.71):
Figure imgf000043_0001
Или
Figure imgf000043_0002
В приведенной формуле угол рл - это угол между касательными к поверхности в точках Р и А, а дробь -- это отношение высоты точки А к высоте точки Р по отношению к наблюдателю. И тогда высота b точки А по отношению к высоте R точки Р может быть рассчитана по формуле:
Figure imgf000043_0003
Поскольку значение R не меняется, то оно не влияет на соотношение высот поверхности и его можно принять равным единице: R = 1 и тогда формула приобретет вид:
Figure imgf000043_0004
Таким образом, измеряя освещенности двух произвольных точек поверхности мы можем определить разницу высот этих точек относительно наблюдателя. Карту высот удобно строить как карту изменения высоты множества точек поверхности относительно точки начала измерений кривизны поверхности. В качестве такой точки удобно выбрать точку наибольшей освещенности - полюс освещенности.
Значение Ер можно выбрать произвольно и тогда значение b = — для каждой
Ev произвольной точки поверхности будет показывать во сколько раз высота b в такой точке больше или меньше высоты в точке, освещенность которой равна Ер. Для удобства вычислений лучше выбрать Ер = 1 и тогда формула вычисления высоты примет вид:
Й = ЕЛ
Таким образом для построения карты высот поверхности произвольной формы (44) выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить. Перед измерением кривизны поверхности по ее проекции к системе измерения освещенности поверхности или подключают долю всех светочувствительных элементов, или подключают все светочувствительные элементы соответствующего детектора мерного поля или радиального мерного поля или поля мерных окружностей.
Для измерения кривизны выбранной поверхности произвольной формы в ее проекции на светочувствительную матрицу, измеряют освещенность светочувствительных элементов каждого детектора подключенного к системе измерения освещенности, а измеренное значение освещенности считают значением высоты поверхности в месте расположения детектора, причем значение отметки шкалы оси координат или мерной окружности соответствующей расположению центра детектора в первой или второй системе координат матрицы ставят в соответствие полученному значению высоты.
В некоторых случаях может оказаться удобным измерять освещенность определенных точек поверхности произвольной формы в ее проекции на матрицу. В других случаях для осмотра сцены необходимо провести изучить форму поверхности в разных местах окружающей панорамы. В описанных и других случаях бывает удобно с помощью приводов смещать матрицу от одной изучаемой точки к другой точке, так чтобы центр неподвижной системы координат совпал с соответствующей точкой измерений в проекции поверхности на матрицу. Аналогичным образом глаз рассматривает окружающий мир поворачиваясь мышцами глаза Поворот матрицы будет изменять угол р (Фиг.71) между нормалью к плоскости матрицы (обычно это направление оси оптической системы) и нормалью к поверхности в соответствующей точке, которая в качестве стимула была спроецирована на матрицу. Изменение угла р, в свою очередь, станет вносить погрешность в измерение освещенности и вычисление карты высот поверхности. Однако при условно «бесконечном» удалении наблюдателя от поверхности, кривизну которой измеряем, изменение угла Р окажется достаточно малым чтобы таким изменением можно было пренебречь.
Для измерения освещенности разных точек поверхности произвольной формы путем поворота матрицы выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, на проекции поверхности на светочувствительную матрицу выбирают точку начала измерений Р с которой связывают центр подвижной системы координат, а центр неподвижной системы координат О совмещают с центром подвижной системы координат Р, измеряют и запоминают освещенность центра подвижной системы координат Ер, значение высоты поверхности в точке начала измерений принимают равной единице Нр - 1, значение высоты связывают с координатами точки Р в подвижной системе координат Нр(ар, Ьр) и запоминают, с помощью приводов светочувствительной матрицы центр О неподвижной системы координат перемещают в первую точку, освещенность которой Et отличается от освещенности Ер более, чем на величину погрешности измерений освещенности
Figure imgf000045_0001
ЛЕ, измеряют координаты
Figure imgf000045_0002
(alt b ) первой точки в подвижной системе координат, а высоте поверхности в первой точке присваивают значение отношения освещенностей в первой точке и в точке начала измерений связывают значение высоты с координатами
Figure imgf000045_0003
второй точки //1(01,^) и запоминают, причем смещение центра неподвижной системы координат О, измерение значений освещенности точки О, вычисление высоты поверхности, связывание высоты с координатами второй, третьей и так далее i-той точки О и запоминание связанной с координатам i-той точки высоты продолжают до тех пор, пока не достигнут
Figure imgf000045_0004
необходимого числа п измерений, а полученное распределение высот (^i(ai>bi)>H2(a2>^2)' ->^n(an>^n))> образованной множеством последовательных положений точки О на матрице во время измерений освещенности используют как множество значений высоты поверхности Н( в соответствующих точках поверхности с координатами (a(, Ь().
Поясним это на примере, Для измерения освещенности полюса Р разместим матрицу так, чтобы точка полюса освещенности совпадала с центром неподвижной полярной системы координат матрицы (СКМ) и измерим освещенность полюса получив значение освещенности Ер для полюса освещенности и запомним координаты P(ap, hp) полюса освещенности в системе координат матрицы и присвоим этой точке значение высоты ЯР(аР,ЬР). Затем выберем точку А матрицы так, чтобы измеренная освещенность этой точки Ег отличалась от освещенности Ер более чем на величину погрешности измерения освещенности матрицы ЛЕ:
Figure imgf000045_0005
Определим и запомним координаты выбранной точки XiCa bj), а значение высоты Hi(a1( Ь2) точки
Figure imgf000045_0006
вычислим по формуле:
Figure imgf000045_0007
Точку А2 выберем аналогично тому, как мы выбрали точку А3, определим координаты точки (а2, Ь2), измерим освещенность Ег и определим высоту Я2(а2,Ь2):
Figure imgf000045_0008
и так далее для точки А{ измерим координаты (а,, />() и освещенность Et и определим высоту
Figure imgf000045_0009
Поскольку величина Hp(ap,bp не известна, то ее можно принять равной единице Hp p.bp) = 1 и тогда:
Figure imgf000045_0010
Измеряя множество освещенностей ( и Ег, Е3, ..., Еп') поверхности в точках (02, 02, 03, ... , Оп), затем рассчитывая множестве высот (Н2,Н2,Н3, ...,Нп) и аппроксимируя множество высот функцией ~ f Ei) получаем функцию изменения высоты поверхности. Приведенный способ измерения освещенности поверхности позволяет прямо преобразовывать измеренную освещенность в высоту поверхности.
Известно, что отражение света поверхностью зависит от угла падения света на поверхность и материала поверхности. Если материал поверхности однороден, а поверхность плоская, то освещенность всех точек плоскости должна быть одинаковой. Это справедливо для поверхностей с небольшой глубиной (передний край поверхности находится значительно от наблюдателя чем дальний край), так как из-за существенно увеличения глубины зрения меняется угол зрения и на плоскость. Поэтому для плоских поверхностей с небольшой глубиной справедливо следующее: если для множества детекторов светочувствительной матрицы (аг,Ь(), дисперсия измеренной освещенности не превышает величины погрешности ДЕ, то принимают решение о том, что множество точек образует связное пространство точек плоской поверхности, а освещенности Et всех точек множества
Figure imgf000046_0001
приравнивают значению освещенности Е одной выбранной точки последовательности (а,Ь).
Из сказанного выше следует, что если есть две пересекающиеся плоскости, то освещенность всех точек в пределах каждой из плоскостей будет одинаковой, однако освещенности пары точек разных плоскостей будут в большинстве случаев отличаться. Они могут оказаться равными только если угол отражения света от обеих плоскостей для наблюдателя окажется одинаковым. Это свойство позволяет идентифицировать пересекающиеся плоскости как два связных плоских пространства точек и рассчитать значение угла ц, образуемого плоскостями в своем пересечении.
Выбирают любую точку на участке поверхности с постоянной освещенностью (первая поверхность) и измеряют освещенность в выбранной точке. Затем выбирают участок поверхности (вторая поверхность) с постоянной освещенностью, отличной от освещенности первой поверхности. Предполагая, что на освещенную поверхность свет падает под углом Д = 0, угол падения такого света на вторую поверхность вычисляют как разницу
Figure imgf000046_0002
где а, и а2 - углы зрения на первую и вторую поверхности, а Ех и Ег освещенности на первую и вторую поверхности соответственно. Множество (Д,Д, ...,Д, ..., Д) полученных разниц углов падения света на последовательные пары поверхностей, используют в качестве цифрового описания поверхности, а также для вычисления углов зрения, или идентификатора множества углов падения света на поверхность. Угол зрения
Figure imgf000046_0003
вычисляют по формуле а2 = д - Д. где «J = а оставшиеся углы зрения a3, ..., at соответственно вычисляют как разницу а, = (?,■_, - Д и множество (а1,а2, ..., а(д ...,ап) также используют в качестве цифрового описания поверхности.
Ранее было показано, что отношение освещенностей двух точек, расположенных на пересекающихся плоскостях равно отношению синусов углов зрения а на эти плоскости:
Д _ СОУД __ $1паг
Ег со р2 sina2
Если освещенность пересекающихся плоскостей, помещенных в световой поток /, отличается, то отличается и угол падения светового потока на эти плоскости (Фиг.74а). Более освещенной окажется поверхность 1 с меньшим углом падения Д. Поскольку истинный световой поток I нам не известен, то представим, что истинным является световой поток, перпендикулярный плоскости 1 : = 1созрх Для того чтобы освещенность плоскости 2 в потоке 12 оставалась такой, какой она была в потоке /, необходимо симметрично отобразить плоскость 2 относительно направления АВ истинного потока / и тогда плоскость 2 будет представлена плоскостью CD (Фиг.74Ь), а угол падения потока
Figure imgf000047_0001
на плоскость 2 окажется равным 0 = (а^ - а2) и можно записать:
Е > cosO > 1
Е2 cos0 cos («J - а2) fEi\
Р = fai - а2) = arccos )
Если имеем дело с объемной фигурой, то выбирая самую освещенную сторону фигуры с освещенностью Е, а также зная освещенности всех других сторон фигуры Е1,Ег,Е3, ... ,Еп пользуясь приведенной выше формулой для р можно посчитать углы Pi, p2,p3, ...,рп, однозначно определив таким образом разницу углов падения света на разные стороны объемной фигуры.
Таким образом, если при измерении освещенности светового стимула принято решение о наличии двух связных пространств точек с разными измеренными освещенностями
Figure imgf000047_0002
и Е2 то принимают решение о том, что световой стимул является проекцией на светочувствительную матрицу двух плоских поверхностей с освещенностями Е и Ег, образующих в пересечении угол 0, указанные освещенности Ег и Е2 располагают в порядке или снижения или увеличения освещенности, а в качестве неизменного цифрового описания угла 0 используют отношение измеренных освещенностей Е2/Е2 или арккосинуса отношения arccos
Figure imgf000047_0003
А если при измерении освещенности светового стимула принято решение о наличии п связных пространств точек с разными измеренными освещенностями, то принимают решение о том, что световой стимул является проекцией на светочувствительную матрицу п плоских поверхностей, образующих в пересечении друг с другом множество углов, а измеренные значения освещенности ранжируют в порядке уменьшения или увеличения освещенности
Figure imgf000047_0004
затем рассчитывают отношения названных освещенностей а последовательность
Figure imgf000047_0005
arccos— .arccos— .... arccos-^2- или используют в качестве неизменного цифрового описания для 31 Ег Еп-Х идентификации названной объемной фигуры или для идентификации множества углов
Figure imgf000047_0006
= или Pi = arccos^, 02 = arccos^- . pn_j = arccos-^-. образуемых
Figure imgf000047_0007
множеством плоскостей в пересечении друг с другом.
Легко заметить, что схемы разных детекторов настоящего изобретения имеют сходные элементы: все такие детекторы имеют круглую форму, ограниченную внешним кругом. Это позволяет использовать одно и то же множество светочувствительных элементов, расположенных внутри названных кругов, одновременно в схемах разных детекторов.
Для этого на светочувствительной матрице размещают множество круглых рецептивных зон, каждая из которых ограничена снаружи внешним кругом определенного диаметра, который может быть одинаковым или отличаться для разных рецептивных зон. Перед началом работы схему каждого из детекторов проецируют на поверхность светочувствительной матрицы внутрь названной крутой рецептивной зоны и запоминают значение эталонной освещенности каждого светочувствительного элемента внутри схемы детектора, а также запоминают «критическое» значение числа или доли светочувствительных элементов зоны выключателя измерений, предпочтительно 50% светочувствительных элементов зоны. При использовании детектора освещенность светочувствительных элементов внутри схемы детектора меняют, одновременно измеряя текущее значение освещенности элементов. Если разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента превысит, по меньшей мере, величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица», а все «единичные» значения суммируют отдельно для каждого из детекторов соответствующим способом для получения результата измерений.
Способ размещения на матрице множества рецептивных зон и проецирования в каждую из рецептивных зон множества схем различных детекторов, отличающихся видом измерений или их направлением, позволяет в каждой отдельной рецептивной зоне матрицы одновременно выявлять присутствие различных признаков, то есть каждое рецептивное поле становится многофункциональным. Равномерное размещение рецептивных зон по полю матрицы с равным или переменным шагом, размер которого, по меньшей мере, равен или превышает разрешающую способность матрицы, позволяет проводить необходимый набор измерений в любом месте светочувствительной матрицы, где размещены такие рецептивных зоны.
Для создания бинокулярной системы технического зрения (БСТЗ) используют две оптических системы с зависимыми, с частично зависимыми или с независимыми приводами, при этом изображение от каждой оптической системы может проецировать изображение на собственную светочувствительную матрицу и тогда в системе используют две матрицы (Фиг. 78), или обе оптические системы могут проецировать изображения на единственную матрицу системы.
Для работы с монокулярным изображением, полученным от одной из оптических систем, используют все способы обработки моно изображений, описанные в настоящей работе. БСТЗ используют для получения информации об удалении предметов в сцене, для определения направлений - верх/низ/право/лево, для совмещения центров полярных систем правого и левого полей зрения, для выявления симметрии в правой/левой и верхней/нижней частях полей зрения, а также для сравнения данных выявленный при анализе моно изображений, полученных от каждой из двух оптических систем.
Центры обеих оптических систем располагают на одной из линий симметрии - вертикальной или горизонтальной, в зависимости от назначения системы. Тем не менее, соединяющую оптические центры двух оптических систем линию, в дальнейшем для удобства восприятия будем считать линией горизонтальной симметрии.
Для каждой из оптических систем Бинокулярной Системы Технического Зрения (БСТЗ) на матрице создают полярную систему координат, а совмещение изображений контролируют по совпадению вертикальной и горизонтальной осей симметрии полярных систем названных оптических систем. После полного совмещения осей симметрии оптических систем, полученные от систем изображения сравнивают и, если изображения не совпадают, оптические оси оптических систем сдвигают так, чтобы изображения совпали.
Для снижения трудоемкости сравнения изображений перед сравнением их разбивают на части по линиям симметрии.
Для совмещения изображений, полученных от двух оптических систем БСТЗ, изображения разбивают на две части правая и левая или верхняя и нижняя и совмещают отдельно две правые и две левые части (Фиг.75) или две верхние и две нижние (Фиг. 76). Изображения можно разбивать и на четверти и сравнивать четверти изображений до их полного совпадения.
Предпочтительно, чтобы некоторому исходному положению оптических осей оптических систем БСТЗ соответствовало такое среднее местоположение приводов, которое характеризуется равной удаленностью от любого из крайних местоположений привода. После определения среднего местоположения приводов обеспечивают параллельность оптических осей, а для этого бесконечно удаленный предмет располагают на линии перпендикулярной линиям симметрии БСТЗ и проходящей через точку их пересечения, затем фокусируют оптические системы на бесконечно удаленном предмете и одновременно совмещают изображения как описано выше (Фиг.75, Фиг. 76), а соответствующее местоположение приводов каждой из оптических систем запоминают в качестве исходного местоположения проводов.
Для определения дальности произвольного предмета оптические системы БСТЗ фокусируют на предмете, затем определяют местоположение приводов и с использованием названных местоположений вычисляют значение углового смещения каждой из оптических осей относительно ее исходного положения, находят разницу угловых смещений и используя разницу вычисляют дальность предмета в сцене.
Для уточнения дальности на близких дистанциях используют измерение фокусного расстояния оптических систем.
Для измерения дальности животные используют способ известный как параллакс зрения (Фиг.77).
Расстояние до предмета при этом можно вычислить по формуле:
Figure imgf000049_0001
Аналогично можно вычислить расстояние до стимула по изображениям, полученным с двух камер, для этого измеряют местоположение стимула в полярной системе координат каждой из матриц (Фиг.67), затем смещают центр полярной системы каждой из матрицы в местоположение стимула (Фиг.68) и измерив смещение приводов с помощью поля привода как это было показано в разделе «Предобразовании полярных координат в координаты привода». Поскольку смещение полярной системы относительно исходного состояния происходит путем поворота камеры в шарнире под действием линейного привода, то из документации или конструкции системы всегда известно расстояние L между оптическими осями камер бинокулярной системы, а также передаточное отношение привода кс =
Figure imgf000049_0002
где Дх - смещение привода, соответствующее повороту оптической оси камеры на угол Да. Поскольку в нашем примере (Фиг.78) измеренное с помощью мерных полей матрицы смещение оптической оси правой камеры от исходного положения равно -Lx и левой камеры Lx, то суммарное отклонение равно х - Lx - (~LX) = 2 * Lx, соответственно угол Да - ке * Дх = 2 • ке » Lx и наконец удаление стимула можем вычислить по формуле параллакса зрения:
Figure imgf000049_0003
Для определения удаления стимула от БСТЗ для БСТЗ используют две матрицы, которые располагают так, чтобы в исходном положении поверхности матриц лежали в одной плоскости, полярные системы матриц были одинаковыми, оптические оси оптических систем каждой из матриц были параллельны и находились на расстоянии L друг от друга, а одинаковые приводы матриц при этом находились в таком эталонном положении, чтобы при смещении приводов из эталонного в любое предельное положение матрица также смещалась в соответствующее предельное положение; для измерения дальности светового стимула каждую из матриц с помощью приводов матрицы поворачивают так, чтобы названный световой стимул оказался в центре неподвижной системы координат соответствующей матрицы, измеряют значение местоположения каждого из приводов и, если значения отличаются, то вычисляют значение угла конвергенции или дивергенции оптических осей БСТЗ, соответствующего разнице значений местоположения приводов, а значение дальности вычисляют с использованием значения названного угла и названного расстояния L между оптическими осями по формуле параллакса зрения.
Для пояснения сущности заявленного изобретения представлены следующие графические материалы:
Фиг. 1. Монокулярная СТЗ. Нет критерия направления верх/низ/право/лево.
Фиг. 2. Бинокулярная СТЗ. Есть правая и левая камера, поэтому можно определить и направления верх/низ.
Фиг. 3. Ядро матрицы свертки.
Фиг. 4. Тетрагональная упаковка светочувствительных элементов матрицы.
Фиг. 5. Гексагональная упаковка светочувствительных элементов матрицы.
Фиг. 6. Ортогональная квадратная упаковка светочувствительных элементов матрицы.
Фиг. 7. Ортогональная крестообразная упаковка светочувствительных элементов матрицы.
Фиг. 8. Трансформация гексагональной упаковки в близкую к ортогональной упаковке при переносе из полярных координат сетчатки в декартовы координаты коры.
Фиг. 9. Трансформация окружностей в вертикальные прямые линии при переносе из полярных координат сетчатки в декартовы координаты коры.
Фиг. 10. Трансформация лучей в прямые горизонтальные линии при переносе из полярных координат сетчатки в декартовы координаты коры.
Фиг. 11. Трансформация спирали в прямые наклонные линии при переносе из полярных координат сетчатки в декартовы координаты коры.
Фиг. 12. Вьбранное направление со шкалой образуют координатную ось.
Фиг. 13. Создание координатной оси. Отметки шкалы от 1 до п представлены круглыми рецептивными зонами (детекторами) с частичным перекрытием.
Фиг. 14. Создание координатной оси. Отметки шкалы от 1 до п представлены рецептивными эонами (детекторами) в форме трапеций.
Фиг. 15. Рецептивная зона круглой формы.
Фиг. 16. Мерное поле одной оси координат.
Фиг. 17. Создание радиального мерного поля.
Фиг. 18. Кольца одинакового потенциала с рецептивными зонами в форме сегмента.
Фиг. 19. Мерная окружность для измерения углов в диапазоне 0 <р < 2л с горизонтально ориентированной осью.
Фиг. 20. Мерная окружность для измерения углов. Фиг. 21. Изм ерен и е угл ов в диа пазоне 9.
Фиг.22. Мерная окружность обладает горизонтальной линией симметрии, двумя избранными направлениями по часовой стрелке (верхний полукруг) и против часовой стрелки (нижний полукруг), измерением угла в двух диапазонах в пределах 0 < <р < п и 0 < <р < -и. Расположение симметричных стимулов показаны штриховкой.
Фиг.23. Мерная окружность обладает вертикальной линией симметрии, двумя избранными направлениями по часовой стрелке (верхний полукруг) и против часовой стрелки (нижний полукруг), измерением угла в двух диапазонах в пределах 0 < 2 п и 0 < <р $ -п. Расположение симметричных стимулов показаны штриховкой.
Фиг. 24. Мерная окружность обладает горизонтальной линией симметрии, две шкалы имеют направления измерений - по часовой стрелке (нижний полукруг) и против часовой стрелки (верхний полукруг) и позволяют измерять угол в двух диапазонах Q < <p < n и 0 < < -п. Расположение симметричных стимулов показаны штриховкой.
Фиг. 25. Мерная окружность обладает вертикальной линией симметрии, две шкалы имеют направления измерений - по часовой стрелке (левый полукруг) и против часовой стрелки (правый полукруг) и позволяют измерять угол в двух диапазонах 0 < <р < п
Figure imgf000051_0001
< -п. Расположение симметричных стимулов показаны штриховкой.
Фиг.26. Мерная окружность обладает вертикальной и горизонтальной линиями симметрии. У мерной окружности четыре шкалы - две направлены по часовой стрелке (левая верхняя и правая нижняя четверть) и две направлены против часовой стрелки (правая верхняя и левая нижняя четверть). Каждая шкала позволяет измерить углы в одном из двух диапазонов 0 <р < и 0
Figure imgf000051_0002
Симметричные относительно любой из осей симметрии детекторы показаны штриховкой, причем симметричные детекторы имеют одинаковые потенциалы.
Фиг. 27. Мерная окружность обладает вертикальной и горизонтальной линиями симметрии. У мерной окружности четыре шкалы - две направлены по часовой стрелке (левая нижняя и правая верхняя четверть) и две направлены против часовой стрелки (правая нижняя и левая верхняя четверть). Каждая шкала позволяет измерять углы в одном из двух диапазонов 0 < <р < и 0 < <р < - Симметричные относительно любой из осей симметрии детекторы показаны штриховкой, причем симметричные детекторы имеют одинаковые потенциалы.
Фиг.28. Поле мерных окружностей для измерения углов.
Фиг.29. Поле мерных окружностей с избранным направлением для измерения углов.
Фиг.ЗО. Мерное поле системы двух осей координат.
Фиг.31 . Полярная система координат светочувствительной матрицы.
Фиг.32. Поиск центра симметрии (поиск равноудаленной точки) между двух точек А и В. Состояние перед поиском симметрии.
Фиг.ЗЗ. Поиск центра симметрии (поиск равноудаленной точки) между двух точек А и В.
Состояние после поиска
Фиг.34. Поворот полярной системы для измерения кривизны линии. Состояние перед поворотом системы координат.
Фиг.35. Поворот полярной системы для измерения кривизны линии. Состояние после поворота системы координат. Фиг.36. Пример размещения рецептивных зон на матрице. 1 — круглая рецептивная зона, 2 -кольцевая рецептивная зоны с центральной круглой зоной «выключателя измерений», 3, 4 - кольцевая рецептивная зона с активной и пассивной частями кольцевой зоны и центральной круглой зоной «выключателя измерений».
Фиг.37. Рецептивная зона в виде измерительного кольца с центральным выключателем измерений.
Фиг.38. Рецептивная зона с несимметричными сегментами а и Ь.
Фиг.39. Рецептивная зона с симметричными сегментами а и Ь.
Фиг.40. Детекторы ON и OFF типов.
Фиг. 41. Соосные Детекторы разного размера виртуально накладывают друг на друга.
Фиг.42. Соосные Детекторы разного размера после виртуального наложения друг на друга размещают на светочувствительной матрице с центрами в одной точке.
Фиг.43. График зависимости отношения площадей правильного многоугольника и описанной вокруг него окружности от числа сторон многоугольника, где: ось у - отношение площади правильного многоугольника к площади описанной окружности, ось х - число углов правильного многоугольника.
Фиг.44. Положение линейной границы стимула b перед контактом с рецептивной зоной детектора: граница стимула касается границы детектора. Серым обозначена пассивная зона и белым активная зона детектора, f - главное (эталонное) направление детектора, д- линейная граница между активной и пассивной зонами детектора.
Фиг.45. Положение линейной границы стимула b после контакта с рецептивной зону детектора: площадь детектора полностью накрыта стимулом. Серым обозначена пассивная зона и белым активная зона детектора, f - главное (эталонное) направление детектора, g - линейная граница между активной и пассивной зонами детектора.
Фиг.46. Множество детекторов смещения линейной границы с разными главными направлениями f перед их виртуальным совмещением на матрице.
Фиг.47. Множество детекторов смещения линейной границы с разными главными направлениями f после их виртуального совмещения на матрице. Совмещение детекторов позволяет с одинаковой эффективностью измерять угол смещения независимо от направления смещения стимула.
Фиг.48. Детектор с большой активной зоной. Серым обозначена пассивная зона и белым активная, f - главное направление, д- угловая граница между активной и пассивной зонами, у - угол между главным направлением и границей д.
Фиг.49. Детектор с малой активной зоной. Серым обозначена пассивная зона и белым активная, f - главное направление, д- угловая граница между активной и пассивной зонами, у - угол между главным направлением и границей д.
Фиг.50. Множество детекторов смещения угловой границы с разными главными направлениями f перед их виртуальным совмещением на матрице.
Фиг.51. Множество детекторов смещения угловой границы с разными главными направлениями f после их виртуального совмещения на матрице.
Фиг.52. Измерение угла с помощью кольца рецептивных зон равного потенциала.
Фиг.53. Перекрытие площадей соседних рецептивных зон. Фиг.54. Рецептивная зона (/ - 1) из множества совпадающих рецептивных зон с разными главными направлениями f.
Фиг.55. Рецептивная зона (i) из множества совпадающих рецептивных зон с разными главными направлениями f.
Фиг.56. Рецептивная зона (1 + 1) из множества совпадающих рецептивных зон с разными главными направлениями f.
Фиг. 57. Представление вектора смещения стимула в виде суммы векторов горизонтального и вертикального смещения.
Фиг. 58. Главные направления матрицы и совпадающие с ними главные направления приводов.
Фиг. 59. Ход привода в направлении f.
Фиг. 60. Смещение стимула в результате работы приводов.
Фиг. 61. Первое мерное поле первого привода для измерения смещения первого привода в направлении «вправо».
Фиг.62. Положение полярной системы координат матрицы (закреплена на матрице), в первом мерном поле первого привода.
Фиг.63. Второе мерное поле первого привода с направлением -/ для измерения смещения первого привода в направлении «влево».
Фиг.64. Мерные поля для вертикального направления смещения привода.
Фиг.65. Исходное положение матрицы с закрепленной на ней полярной системой в координатах двух перпендикулярных проводов.
Фиг.66. Поворот матрицы вокруг центра полярной системы координат на угол т.
Фиг. 67. Воздействие стимула на матрицу
Фиг. 68. Смещение центра полярной системы координат матрицы в местоположение стимула на матрице.
Фиг.69. Проекция куба в виде правильного шестиугольника.
Фиг.70. Минимальное число главных направлений детекторов и их полей.
Фиг.71 . Освещенность эталонной сферы.
Фиг.72. Пунктиром показана функция изменения плотности светочувствительных элементов матрицы, а сплошной линией показано изменение освещенности эталонной поверхности.
Фиг.73. Пунктиром показана функция изменения плотности светочувствительных элементов полярной системы матрицы от центра О к периферии на полярном радиусе -R < р < +Л, а сплошной линией показана функция изменения освещенности эталонной поверхности с полюсом Р.
Фиг.74. I - световой поток, направленный на грани параллелепипеда.
Фиг.75. Сравнение между собой правых и левых частей изображений двух оптических систем БСТЗ.
Фиг.76. Сравнение между собой верхних и нижних частей изображений двух оптических систем БСТЗ.
Фиг.77. Параллакс зрения.
Фиг.78. БСТЗ: параллакс зрения, вычисление расстояния до стимула.

Claims

Формула изобретения
1. Способ определения местоположения светового стимула на светочувствительной матрице, состоящей из множества светочувствительных элементов, характеризующийся тем, что на светочувствительной матрице создают по меньшей мере одну координатную ось для чего выбирают шкалу, содержащую последовательность отметок с соответствующи и им значениями расстояний от начала шкалы, выбирают точку начала и направление координатной оси, после чего начало шкалы совмещают с началом координатной оси и накладывают названную шкалу вдоль выбранного направления координатной оси; определяют расположение отметок шкалы на светочувствительной матрице и в местах расположения каждой из отметок размещают центр, по меньшей мере, одной рецептивной зоны (далее - детектора), после чего каждый из детекторов настраивают таким образом, что при воздействии на детектор или его часть световым стимулом, детектор порождает такое значение измеряемой характеристики сигнала (далее - потенциал), которое равно или пропорционально с коэффициентом пропорциональности к значению отметки шкалы в месте размещения центра детектора; при этом значение потенциала, порожденного детектором, на который воздействовали световым стимулом, считают или значением отметки местоположения светового стимула на шкале или пропорциональным названному значению с коэффициентом пропорциональности к, а расстояние между двумя местоположениями световых стимулов на шкале приравнивают или к разнице потенциалов детекторов, на которые воздействовали световыми стимулами или к разнице потенциалов детекторов с коэффициентом пропорциональности к, при этом изменение освещенности одного или более светочувствительных элементов светочувствительной матрицы, при котором измеренное значение освещенности меняется на заданную величину, кратную погрешности измерения освещенности, за заданный период времени, кратный минимально доступному времени измерения освещенности, считают воздействием светового стимула на матрицу.
2. Способ по п.1 , отличающийся тем, что между смежными детекторами координатной оси образуют взвешенные связи, направленные от детектора с большим потенциалом к детектору с меньшим потенциалом; каждой взвешенной связи присваивают вес, равный расстоянию между отметками шкалы, в которых расположены центры смежных детекторов, соответствующих указанным отметкам шкалы; для измерения расстояния между проекцией светового стимула на матрицу и началом шкалы световой стимул проецируют на детекторы матрицы и идентифицируют детектор, на который воздействует световой стимул (далее - активный , детектор), веса множества связей, расположенных между активным детектором и началом шкалы, складывают, а результат сложения считают расстоянием между световым стимулом и началом координатной оси.
3. Способ по любому из пунктов 1-2, отличающийся тем, что детекторы выполнены в форме круга, при этом в качестве потенциала детектора используют значение площади круга или его части, выраженных или числом пикселей, или числом светочувствительных элементов светочувствительной матрицы, ограниченных снаружи окружностью, являющейся внешней границей детектора.
53
ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что детекторы располагают на светочувствительной матрице или без перекрытия, или с частичным перекрытием, или с полным перекрытием детекторов
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают множество копий главной координатной оси, которая представляет собой координатную ось с размещенными на ней детекторами, множество копий главной координатной оси размещают на светочувствительной матрице параллельно друг другу с образованием мерного поля, причем первую копию сдвигают по поверхности светочувствительной матрицы на расстояние Ду1 относительно главной координатной оси в направлении, образующим угол со с названной главной координатной осью, затем вторую копию сдвигают в том же, направлении на расстояние Ду2 относительно первой копии, затем аналогично размещают третью и следующие копии главной координатной оси до тех пор, пока не достигнут первого края светочувствительной матрицы; после этого процесс сдвига и размещения копий главной координатной оси продолжают, сдвигая их в противоположном направлении, образующим угол
Figure imgf000055_0001
+ п) с главной координатной осью, до тех пор, пока не достигнут второго края светочувствительной матрицы, противоположного первому краю; при воздействии одним или более световыми стимулами на детектор, расположенный в любом месте мерного поля на главной координатной оси или любой ее копии, извлекают потенциал детектора и определяют или значение отметки шкалы местоположения светового стимула или расстояние между местоположениями двух световых стимулов.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительно создают второе мерное поле, которое располагают на светочувствительной матрице так, чтобы главная координатная ось первого мерного поля (первая главная координатной ось) и главная координатная ось второго мерного поля (вторая главная координатной ось) начинались в одной точке (далее «центр системы») и образовывали между собой угол <т; при воздействии одним или более световыми стимулами на любое место светочувствительной матрицы, местоположение определенного светового стимула и расстояние между местоположениями двух световых стимулов определяют в первом и/или втором мерном поле.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что углу а и углу ш присваивают значение с образованием прямоугольной декартовой системы, а отметки шкалы используют в качестве координат прямоугольной декартовой системы.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что создают по меньшей мере одно множество из N копий главной координатной оси, представляющей собой координатную ось с размещенными на ней детекторами, указанное множество копий главной координатной оси размещают на светочувствительной матрице с началом в точке начала главной координатной оси с образованием радиального мерного поля, при этом для образования углового направления радиального мерного поля первую копию поворачивают вокруг точки начала главной координатной оси на поверхности светочувствительной матрицы по часовой или против часовой стрелки на угол Д<рг относительно главной координатной оси, вторую копию поворачивают в том же направлении на угол <р2 относительно первой копии главной координатной оси,
54 аналогично размещают третью и следующие копии главной координатной оси до тех пор, пока не достигнут заданной суммы углов ср = ,j=1 ^<Pj', при воздействии одним или более световыми стимулами на детектор, расположенный в любом месте радиального мерного поля на главной координатной оси или любой ее копии, извлекают потенциал этого детектора и определяют или значение отметки шкалы соответственно главной координатной оси или любой ее копии, соответствующее местоположению светового стимула, или расстояние между местоположениями двух световых стимулов.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что в качестве угла поворота N копий главной координатной оси выбирают угол Д< ;- < , а отметки шкалы используют в качестве координат полярного радиуса в полярной системе координат, центр которой совпадает с. '* началом главной координатной оси.
10. Способ по п.8, отличающийся тем, что образуют по меньшей мере один мерный сектор по меньшей мере одной мерной окружности для чего создают окружность с центром в начале главной координатной оси и радиусом, равным значению первой отметки шкалы главной координатной оси, причем точку пересечения мерной окружности с главной координатной осью в первой отметке шкалы главной координатной оси также используют в качестве отметки начала круговой шкалы мерной окружности с нулевым значением полярного угла <р0 = 0, а соответствующую точку пересечения мерной окружности с j -той копией главной координатной оси в первой отметке ; -той копии главной координатной оси также используют в качестве соответствующей i -той отметки круговой шкалы мерной окружности, значение полярного угла i -той отметки считают равным <р, =
Figure imgf000056_0001
а центральный угол мерного сектора равным названной заданной сумме углов р = <pN - £ =1 Лер , в местах расположения отметок круговой шкапы мерной окружности размещают центры рецептивных зон (далее - детекторов), после чего каждый из детекторов настраивают таким образом, что при воздействии на него световым стимулом детектор порождает такое значение измеряемой характеристики сигнала детектора (далее - потенциал), которое равно или пропорционально с коэффициентом пропорциональности к значению отметки круговой шкалы в месте размещения детектора; при этом значение потенциала, порожденного расположенным на мерной окружности детектором, на который воздействовали световым стимулом, считают или значением отметки полярного угла местоположения светового стимула на круговой шкале или пропорциональным названному значению полярного угла с коэффициентом пропорциональности к, а значение полярного угла между местоположениями двух световых стимулов на мерной окружности приравнивают или к разнице потенциалов детекторов, на которые воздействовали световыми стимулами или к разнице потенциалов детекторов с коэффициентом пропорциональности к.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что создают множество копий главной мерной окружности, представляющей собой мерную окружность с размещенными на ней детекторами, а в качестве радиуса для каждой из последовательных копий главной мерной окружности выбирают значение последовательных отметок шкалы главной координатной оси, причем для образования поля мерных окружностей каждую из копий главной мерной
55 окружности размещают на светочувствительной матрице так, чтобы центр окружности копии совпадал с центром главной мерной окружности, и используют для измерения значений полярного угла; а при воздействии световым стимулом на конкретный детектор, центр которого совпадает с отметкой шкалы главной мерной окружности или любой из ее копий, извлекают порожденное значение потенциала детектора и вычисляют соответствующее этому потенциалу значение полярного угла.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что при воздействии световым стимулом на светочувствительную матрицу выявляют конкретный детектор шкалы главной мерной окружности или любой из копий главной мерной окружности и одновременно конкретный детектор шкалы главной координатной оси или любой из копий главной координатной оси, извлекают порожденные значения потенциалов детекторов круговой шкалы главной мерной окружности или любой из ее копий и шкалы главной координатной оси или любой из ее копий и вычисляют соответствующее извлеченным потенциалам значение полярного угла и полярного радиуса, которые используют в качестве значений системы двух координат, образующих полярную систему координат матрицы.
13. Способ по п.10, отличающийся тем, что для создания поля мерных окружностей образуют пару половин мерной окружности, используя пару мерных секторов, центральный угол каждого из которых равен 180°, или образуют две пары четвертей мерной окружности, используя две пары мерных секторов, центральный угол каждого из которых равен 90°; для создания радиального мерного поля каждой половины мерной окружности используют соответственно одну пару множеств копий главной координатной оси с противоположными угловыми направлениями, и каждое из множеств копий главной координатной оси содержит N копий главной координатной оси с заданным углом суммы поворотов копий главной координатной оси равным
Figure imgf000057_0001
=■ 180°, или для образования радиального мерного поля каждой четверти из двух пар четвертей мерной окружности используют две пары множеств копий главной координатной оси с противоположными угловыми направлениями, и каждое из множеств копий главной координатной оси содержит N копий главной координатной оси с заданным углом суммы поворотов копий главной координатной оси равным р -
Figure imgf000057_0002
= 90°, а для того, чтобы потенциалы детекторов, симметричных относительно линии симметрии, образованной границей, разделяющей смежные половины или четверти, были равными, половины или четверти мерной окружности размещают на мерной окружности так, чтобы вершина центрального угла половины или четверти лежала в центре мерной окружности, половины или четверти с противоположными угловыми направлениями были смежными и не пересекались; а при воздействии световым стимулом на конкретный детектор круговой шкалы мерного сектора извлекают порожденное значение потенциала детектора и вычисляют соответствующего этому потенциалу значение полярного угла.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что при воздействии двух световых стимулов на два детектора одинакового потенциала, расположенные в смежных мерных секторах поля мерных окружностей, делают вывод о симметричном расположении световых стимулов относительно линии симметрии, разделяющей названные смежные
56 сектора поля мерных окружностей, а также о том, что все точки, равноудаленные от обоих световых стимулов, расположены на линии симметрии.
15. Способ по п.12, отличающийся тем, что в произвольные места светочувствительной матрицы проецируют два световых стимула и измеряют потенциалы детекторов радиального мерного поля, на которые воздействовали названными световыми стимулами, затем выбирают световой стимул с избыточным потенциалом и начинают смещать центр полярной системы координат в сторону светового стимула с избыточным потенциалом, одновременно измеряя потенциалы детекторов радиального мерного поля, на которые воздействуют названные точечные световые стимулы, при смещении стимулов по поверхности светочувствительной матрицы; названное измерение потенциалов и смещение центра полярной системы координат останавливают, когда потенциал первого светового стимула станет равным с некоторой допустимой погрешностью потенциалу второго, а местоположение, по меньшей мере, центра полярных координат на светочувствительной матрице после останова смещения считают точкой равноудаленной от названных световых стимулов.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что на поверхность светочувствительной матрицы проецируют кривую линию, представленную неподвижным на светочувствительной матрице световым стимулом, запоминают местоположение на светочувствительной матрице центра полярной системы координат, и в радиальном мерном поле ищут точку «минимума» светового стимула, для чего измеряют значение потенциалов всех точек стимула и находят единственную точку с наименьшим из измеренных потенциалов; затем с помощью поля мерных окружностей ищут точку «максимума» названного светового стимула, полярный угол которой максимально отличается от полярного угла точки минимума; для названной первой пары точек находят равноудаленную от них первую точку, которую считают точкой симметрии, и запоминают ее местоположение на матрице, затем в поперечном к линии соединяющей названную первую пару точек направлении смещают полярную систему координат, продолжая измерение потенциалов точек кривой в радиальном мерном поле до тех пор, пока не обнаружат новую точку минимума, после чего повторяют поиск точки максимума, а затем поиск следующей точки симметрии, местоположение которой на матрице запоминают; процесс поиска точек симметрии повторяют необходимое количество раз, при этом местоположением линии симметрии светового стимула на матрице считают местоположение на матрице множества найденных точек симметрии.
17. Способ по п.1, отличающийся тем, что детектор ограничивают снаружи окружностью радиуса R и проецируют на детектор окружность радиуса г < R так, чтобы центры окружностей совпадали, при этом множество светочувствительных элементов, расположенных в кольцевой и в центральной зонах детектора пересчитывают, а результаты сохраняют в качестве значения площади или потенциала соответственно кольцевой и центральной зоны детектора.
18. Способ по п.17, отличающийся тем, что детектор настраивают на одновременное измерение освещенностей светочувствительных элементов кольцевой и центральной зон, число освещенных элементов соответствующей зоны сравнивают с числом всех светочувствительных элементов зоны и, если в пределах некоторой погрешности все светочувствительные элементы кольцевой зоны не освещены, а все светочувствительные элементы центральной зоны освещены, то принимают решение о том, что световой стимул имеет форму пятна, площадь проекции которого сравнима с площадью центральной зоны детектора в пределах названной погрешности, или, если в пределах некоторой погрешности все светочувствительные элементы центральной зоны не освещены, а все светочувствительные элементы кольцевой зоны освещены, то принимают решение о том, что световой стимул имеет форму кольца, площадь проекции которого сравнима с площадью кольцевой зоны детектора в пределах названной погрешности.
19. Способ по п.18, отличающийся тем, что дополнительно создают поле детекторов пятна и/или кольца для чего на светочувствительной матрице выбирают точку для размещения центров детекторов поля детекторов (далее - Детекторов поля), затем создают множество Детекторов, каждый из которых содержит две концентрические окружности нужного размера, причем радиус внутреннего круга каждого Детектора отличается от радиуса внутреннего круга друлих Детекторов множества, по меньшей мере, на величину
Figure imgf000059_0001
а радиус внешнего круга каждого из Детекторов пятна и/или кольца или отличается от радиуса внешнего круга других Детекторов множества, по меньшей мере, на величину Д2 или является для всех Детекторов пятна и/или кольца одинаковым, все Детекторы поля проецируют на светочувствительную матрицу с центром в выбранной точке; при использовании поля детекторов световой стимул проецируют на детекторы множества, измерения освещенности проводят одновременно для каждого из Детекторов множества отдельно, а решение о наличии пятна и/или кольца и его размере принимают в зависимости от размеров Детектора пятна и/или кольца, освещенность которого соответствовала условиям принятия этих решений.
20. Способ по п.17, отличающийся тем, что для образования детектора линейной границы для названного детектора определяют главное направление, а для измерения угла между главным направлением и направлением смещения светового стимула (далее - угол смещения) используют зону измерений и зону выключения измерений, причем в качестве зоны выключения измерений используют центральную зону, а зону измерений создают: диаметром, образующим с главным направлением прямой угол, кольцевую зону разбивают на два полукольца и в качестве зоны измерений используют то полукольцо, которое служит входом для главного направления, а полукольцо, служащее для главного направления выходом, не используют; перед измерением угла смещения измеряют и сохраняют значение эталонной освещенности светочувствительных элементов детектора и число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны, а также выбирают некоторое «критическое» значение числа или доли светочувствительных элементов зоны выключателя измерений и запоминают его; при пересечении световым стимулом названной внешней границы детектора измеряют текущее значение освещенности светочувствительных элементов детектора, а, когда разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента зоны измерений или зоны выключения измерений превысит, по меньшей мере, величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица»; все присвоенные единичные значения суммируют отдельно для зоны измерений и зоны выключения измерений до момента, когда сумма единичных значений зоны выключения измерений окажется равна или больше названного критического числа или названной критической доли светочувствительных элементов, после чего сумму единичных значений активной зоны делят на число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны и умножают на 2тг, а результат считают значением в радианах угла у, заключенного между главным направлением детектора и направлением смещения светового стимула, представляющего собой линейную границу.
21. Способ по п.20 отличающийся тем, что образуют круговой детектор, для чего указанный детектор используют в качестве эталона и создают множество копий эталона, вместе с эталоном образующих множество детекторов, указанное множество детекторов размещают с центром в одной точке, а главные направления для каждого из детекторов множества выбирают так, чтобы они пересекались в центре детектора, а смежные главные направления пересекались в центре и образовывали в пересечении друг с другом угол не менее погрешности измерения угла смещения границы А, причем для кругового детектора определяют единственное эталонное направление, а угол
Figure imgf000060_0001
между главным направлением i -го детектора множества детекторов и эталонным направлением кругового детектора запоминают; при пересечении световым стимулом внешней границы детектора, названные измерения проводят для каждого I -го детектора отдельно, отдельно вычисляют названный угол yt и вычисляют сумму а, = (/?, + у(), а полученное множество значений af сравнивают между собой с целью усреднения или уточнения значения угла между направлением смещения светового стимула и эталонным направлением кругового детектора, а также подтверждения, что форма границы стимула является линейной.
22. Способ с по п.17, отличающийся тем, что для образования детектора угловой границы определяют главное направление для названного детектора и двумя радиусами, образующими с главным направлением углы р и -<р где <р < у , названную кольцевую зону разбивают на два сектора так, чтобы сектор с центральным углом 8 = 2тт - 2q>, который используют в качестве зоны измерений, служил для главного направления входом, а сектор с центральным углом 2<р - выходом, а для измерения угла между главным направлением и направлением смещения светового стимула (далее - угол смещения) используют зону измерений и зону выключения измерений, причем в качестве зоны выключения измерений используют центральную зону детектора; перед измерением угла смещения измеряют и сохраняют значение эталонной освещенности светочувствительных элементов светочувствительной матрицы и число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны детектора, а также выбирают и запоминают «критическое» значение числа или доли светочувствительных элементов зоны выключения измерений; при пересечении световым стимулом внешней границы детектора измеряют текущее значение освещенности светочувствительных элементов, а когда разница эталонного и текущего значений освещенности конкретного светочувствительного элемента зоны измерений или
59 зоны выключения измерений превысит, по меньшей мере, величину чувствительности названного светочувствительного элемента, такому светочувствительному элементу присваивают значение «единица», все присвоенные «единичные» значения суммируют отдельно для зоны измерений и зоны выключения измерений до момента, когда сумма единичных значений зоны выключения измерений окажется равной или большей названного критического числа или названной критической доли светочувствительных элементов, после чего сумму единичных значений зоны измерений делят на число всех светочувствительных элементов кольцевой зоны детектора и, если Результат Деления превышает 1/2, то считают, что световой стимул представляет собой угловую границу, а значение в радианах угла у между главным направлением детектора и направлением смещения светового стимула считают равным Результату Деления, умноженному на 2л радиан.
23. Способ по п.22, отличающийся тем, что образуют круговой детектор, для чего указанный детектор используют в качестве эталона и создают множество копий эталона, вместе с эталоном образующих множество детекторов, указанное множество детектора размещают с центром в одной точке, а главные направления для каждого из детекторов множества выбирают так, чтобы они пересекались в центре детектора, а смежные главные направления пересекались в центре и образовывали в пересечении угол не менее погрешности измерения угла смещения границы Д, причем для кругового детектора определяют единственное эталонное направление, а угол /?< между главным направлением i -го детектора множества детекторов и эталонным направлением кругового детектора запоминают; при пересечении световым стимулом внешней границы детектора, названные измерения проводят для каждого i -го детектора отдельно, отдельно вычисляют названный угол
Figure imgf000061_0002
и вычисляют сумму
Figure imgf000061_0001
= (Д + у(), полученное множество значений at сравнивают между собой с цепью усреднения или уточнения значения угла между направлением смещения стимула и эталонным направлением кругового детектора, а также подтверждения того, что форма внешней границы детектора является угловой.
24. Способ по п.6, отличающийся тем, что в качестве детекторов первого мерного поля и второго мерного поля используют круговые детекторы по п. 21 и/или круговые детекторы по п. 23 соответствующего потенциала, причем эталонное направление для всех круговых детекторов выбирают одинаковым с образованием «эталонного направления поля».
25. Способ по п.12, отличающийся тем, что в качестве детекторов поля мерных окружностей и радиального мерного поля используют круговые детекторы по п. 21 и/или круговые детекторы по п.23 соответствующего потенциала, причем эталонное направление для всех круговых детекторов выбирают одинаковым с образованием «эталонного направления поля».
26. Способ по любому из лп.24-25, отличающийся тем, что указанные первое и второе мерные поля, а также радиальное мерное поле и поле мерных окружностей, вместе образующих поля измерений, размещают на светочувствительной матрице так, чтобы
60 точка пересечения главных осей первого мерного поля и второго мерного поля совпадала с центром радиального мерного поля и с центром поля мерных окружностей.
27. Способ по п.26, отличающийся тем, что на светочувствительную матрицу проецируют световой стимул в форме линии, имеющей п гпов, и смещают световой стимул в названных полях измерений, проводят измерения и вычисляют множество значений углов наклона, образуемых названным эталонным направлением поля и каждым из отдельных участков линии (а1, а2, .-, ап)> и идентифицируют местоположение углов в сочленении участков линии, причем в качестве множества значений углов наклона (ava2, ... ,ап) выбирают значения, отличающиеся друг от друга, по меньшей мере, на величину погрешности измерения угла смещения границы Д, выбранные значения ранжируют в порядке возрастания или убывания для получения ранжированной последовательности значений углов (a ,^,,
Figure imgf000062_0001
углы, образованные в пересечении смежных участков линии, вычисляют как разницу последовательности ранжированных углов наклона смежных участков линии ?£ = а!+1 - aj, а ранжированную последовательность углов наклона (а^ а^,, ...,а^) или соответствующую им последовательность разниц углов наклона
Figure imgf000062_0003
, ?n-i) или (Л-Аг-
Figure imgf000062_0002
используют в качестве множества углов названной линии и в качестве неизменного цифрового описания линии для цифровой идентификации названной линии при поворотах ее проекции в плоскости светочувствительной матрицы и при пропорциональном изменении ее размеров.
28. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно на светочувствительную матрицу в качестве световых стимулов проецируют две или более линий, для которых вычисляют последовательности разниц углов наклона (/?1( /?2, ...,/?n_i) или (01'02' ->0п)> указанные последовательности сравнивают и, если цифровые описания указанных линий равны, то делают вывод о подобии линий.
29. Способ по п.28, отличающийся тем, что с помощью полей измерения дополнительно измеряют расстояние между идентифицированными местоположениями углов в сочленении участков линии и, если измеренные расстояния равны, то расположенные между идентифицированными углами линии и/или образованные линиями фигуры считают равными.
30. Способ по п.27, отличающийся тем, что дополнительно на светочувствительную матрицу в качестве световых стимулов проецируют две или более линии, для которых вычисляют и ранжируют последовательности углов наклона (ai,a2,, ..., a , указанные ранжированные последовательности сравнивают и, если цифровые описания указанных линий равны, то такие линии и/или соответствующие их участки считают параллельными.
31. Способ по п.27, отличающийся тем, что в качестве светового стимула используют замкнутую ломаную линию.
32. Способ по п.31, отличающийся тем, что значения каждого из углов замкнутой ломаной линии сравнивают и, если разница значений не превышает известной погрешности измерений, то замкнутую ломаную линию считают правильным многоугольником.
61
33. Способ по п.5, отличающийся тем, что определяют, по меньшей мере, одно направление смещения неподвижного светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы, вызванного перемещением исполнительного механизма конкретного привода светочувствительной матрицы (далее «направление привода»), и создают на матрице мерное поле (далее - гомогенное поле привода), направление главной оси которого совпадает с направлением привода; передаточное отношение привода светочувствительной матрицы вычисляют как отношение изменения потенциала детекторов главной координатной оси гомогенного поля привода или ее копии на которые воздействовал неподвижный световой стимул до и после указанного линейного смещения светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы к соответствующему изменению местоположения указанного привода.
34. Способ по п.ЗЗ, отличающийся тем, что перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода, из конечного потенциала вычитают исходный потенциал, а полученную «разницу потенциалов» делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы; полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение в гомогенном поле привода на светочувствительной матрице; при этом, если значение разницы потенциалов является положительной величиной, то перемещение привода осуществляют в направлении привода и, если значение разницы потенциалов является отрицательной величиной, то перемещение привода осуществляют в направлении противоположном направлению привода.
35. Способ по п.ЗЗ, отличающийся тем, что в качестве детекторов гомогенного поля привода используют детекторы линейной границы по п. 20 или детекторы угловой границы по п. 22, главное направление которых совпадает с направлением главной координатной оси гомогенного поля привода; перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода, вычисляют разницу между исходным и конечным потенциалами, полученную разницу делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы и полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение на светочувствительной матрице; при смещении светового стимула на матрице также
62 измеряют значение угла смещения линейной или угловой границы светового стимула и, если значение угла находится в пределах
Figure imgf000064_0001
|±у| < я, то привод перемещают в направлении привода, а если значение угла находится в пределах 0 < |±у| < то привод перемещают в направлении противоположном направлению привода.
36. Способ по п.11, отличающийся тем, что определяют, по меньшей мере, одно направление смещения неподвижного светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы вдоль окружности с центром неподвижно закрепленным на светочувствительной матрице, вызванного перемещением исполнительного механизма конкретного привода светочувствительной матрицы (далее «направление привода»), и создают поле мерных окружностей (далее - гомогенное поле привода), которое располагают на светочувствительной матрице так, чтобы центр поля мерных окружностей совпадал с центром указанной окружности, а направление привода совпадало с направлением увеличения значений полярного угла; передаточное отношение привода светочувствительной матрицы вычисляют как отношение изменения потенциала детекторов главной мерной окружности гомогенного поля привода или ее копии на которые воздействовал неподвижный световой стимул до и после указанного смещения светового стимула по поверхности светочувствительной матрицы к соответствующему изменению местоположения указанного привода.
37. Способ по п.36, отличающийся тем, что перед смещением на матрице светового стимула измеряют «исходный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем исходном местоположении в гомогенном поле привода, соответствующем текущему местоположению привода, а при смещении светового стимула на матрице измеряют «конечный потенциал» детектора, на который воздействует световой стимул в своем конечном местоположении в гомогенном поле привода, из конечного потенциала вычитают исходный потенциал, а полученную «разницу потенциалов» делят на передаточное отношение привода светочувствительной матрицы, а полученный результат используют в качестве расстояния перемещения привода между текущим местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение гомогенного поля привода на светочувствительной матрице; при этом, если значение разницы потенциалов является положительной величиной, то привод перемещают в направлении привода и, если значение разницы потенциалов является отрицательной величиной, то привод перемещают в направлении противоположном направлению привода.
38. Способ по любому из пп.34, 34, 37, отличающийся тем, что светочувствительную матрицу оснащают множеством приводов с возвратно- поступательным или возвратно-вращательным движением исполнительного механизма и для каждого из приводов создают гомогенное поле привода, а при смещении светового стимула из исходного местоположения на светочувствительной матрице, соответствующего текущему местоположению каждого из множества приводов, в конечное местоположение светового стимула на светочувствительной матрице, отдельно для каждого из приводов множества рассчитывают расстояние между текущим
63 местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул вернется в исходное местоположение гомогенного поля привода на светочувствительной матрице.
39. Способ по п.38, отличающийся тем, что создают множество из трех приводов, а для образования декартовой системы гомогенных полей первого и второго приводов используют мерные поля по п.ЗЗ, а соответствующие мерным полям направления приводов выбирают такими, чтобы главные координатные оси мерных полей первого и второго приводов на светочувствительной матрице пересекались под прямым углом и начинались в одной точке с образованием центра системы, а для третьего привода используют поле мерных окружностей по п.36 с соответствующим ему направлением привода и местоположением закрепленного на светочувствительной матрице центра мерных окружностей; измеряют потенциалы детекторов гомогенных полей первого и второго приводов для местоположения центра поля мерных окружностей третьего гомогенного поля привода и запоминают указанные потенциалы детекторов в качестве потенциалов эталонного местоположения на светочувствительной матрице, соответствующих эталонному местоположению первого и второго приводов; при воздействии светового стимула на детекторы первого и второго гомогенных полей приводов, потенциалы таких детекторов определяют, для первого и второго приводов отдельно рассчитывают расстояние между эталонным местоположением привода светочувствительной матрицы и местоположением привода светочувствительной матрицы, при котором световой стимул займет указанное эталонное местоположение на светочувствительной матрице.
40. Способ по п.38, отличающийся тем, что дополнительно на светочувствительной матрице создают декартову систему мерных полей по (далее - первая система координат), затем создают копию декартовой системы мерных полей (далее - вторая система координат), причем одну из созданных систем координат закрепляют на светочувствительной матрице с образованием неподвижной системы координат, а вторую - перемещают по светочувствительной матрице с образованием подвижной системы координат; приводы светочувствительной матрицы приводят в некоторое эталонное местоположение приводов, а подвижную и неподвижную системы координат размещают на светочувствительной матрице так, чтобы для эталонного местоположения указанных приводов центр неподвижной системы координат совпадал с центром подвижной системы координат; при перемещении соответствующего привода из начального местоположения в конечное местоположение, определяют расстояние перемещения привода и с помощью названного передаточного отношения привода вычисляют значение смещения центра подвижной системы координат в координатном поле неподвижной системы координат светочувствительной матрицы из начальной в конечную точку, а центр подвижной системы координат смещают так, чтобы потенциал детектора в месте расположения центра подвижной системы координат изменился в соответствии с вычисленным значением, а при перемещении центра подвижной системы координат из первой во вторую точку неподвижной системы координат, определяют изменение потенциалов детекторов неподвижной системы координат в первой и второй
64 точках и с помощью передаточного отношения привода светочувствительной матрицы вычисляют смещение привода, соответствующего направлению соответствующей главной оси мерного поля или полярного угла.
41. Способ по п.38, отличающийся тем, что на светочувствительной матрице создают декартову систему мерных полей (далее - первая система координат), затем создают полярную систему координат матрицы, радиальная шкала которой совпадает со шкалой главных координатных осей мерных полей (далее - вторая система координат), причем одну из созданных систем координат закрепляют на светочувствительной матрице (далее - неподвижная система координат), а вторую- перемещают по светочувствительной матрице (далее - подвижная система координат); приводы светочувствительной матрицы приводят в эталонное местоположение приводов, а подвижную и неподвижную системы координат размещают на светочувствительной матрице так, чтобы для эталонного местоположения приводов центр неподвижной системы координат совпадал с центром подвижной системы координат; при перемещении соответствующего привода светочувствительной матрицы из начального местоположения в конечное местоположение, определяют расстояние перемещения привода и с помощью его передаточного отношения вычисляют значение смещения центра подвижной системы координат в координатном поле неподвижной системы координат светочувствительной матрицы из начальной в конечную точку, а центр подвижной системы координат смещают так, чтобы потенциал детектора в месте расположения центра подвижной системы координат изменился в соответствии с вычисленным значением, а при перемещении центра подвижной системы координат из первой во вторую точку неподвижной системы координат, определяют изменение потенциалов детекторов неподвижной системы координат в первой и второй точках и с помощью названного передаточного отношения привода светочувствительной матрицы вычисляют смещение привода, соответствующее направлению соответствующей главной координатной оси мерного поля или полярного угла.
42. Способ по п.39, отличающийся тем, что выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, перед измерением кривизны поверхности по ее проекции на светочувствительную матрицу площадь светочувствительной матрицы разбивают на два или более участков эталонного размера или формы, измеряют и запоминают местоположение каздого из участков в системе координат матрицы; каждый из участков настраивают так, чтобы в условиях одинаковой освещенности всех участков, измеренное разными участками значение освещенности отличалось, для чего к системе измерения освещенности поверхности или подключают долю всех светочувствительных элементов соответствующего участка, а указанную долю уменьшают или увеличивают пропорционально значению D, которое используют в качестве значения плотности подключенных к системе измерения освещенности поверхности светочувствительных элементов участка матрицы, или подключают все светочувствительные элементы соответствующего участка, а измеренное ими значение освещенности снижают или увеличивают пропорционально значению D, которое используют в качестве значения чувствительности светочувствительных элементов.
65
43. Способ по п.42, отличающийся тем, что указанное значение D плотности или чувствительности подключенных к системе измерения освещенности светочувствительных элементов указанных участков матрицы, снижают от центра к периферии полярной системы координат согласно закону изменения освещенности эталонной поверхности в направлении от точки максимальной освещенности (далее - полюс освещенности) к периферии; выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, проецируют ее на светочувствительную матрицу и измеряют кривизну с использованием проекции поверхности на светочувствительную матрицу, для чего на указанной проекции выбирают точку полюса освещенности поверхности - “Р" , с которой совмещают центр полярной системы координат - «0», затем центр полярной системы координат О смещают так, чтобы расстояние на светочувствительной матрице между точками О и Р увеличивалось, и одновременно измеряют освещенное™ светочувствительной матрицы в названных точках; если измеренные значения освещенности названных точек О и Р равны с доп уста мой погрешностью ДО, то принимают решение о том, что радиус кривизны поверхности совпадает с радиусом кривизны эталонной поверхности, если измеренное значение освещенности центра полярной системы координат О превышает измеренное значение освещенности точки полюса освещенности поверхности Р более чем на ДЕ, то принимают решение о том, что радиус поверхности больше радиуса эталонной поверхности, если измеренное значение освещенности полюса поверхности Р превышает измеренное значение освещенности центра полярной системы координат О более, чем на ДЕ, то принимают решение о том, что радиус эталонной поверхности больше радиуса измеренной кривизны поверхности.
44. Способ по любому из пп.40 - 41, отличающийся тем, что выбирают поверхность, кривизну которой следует измерить, перед измерением кривизны поверхности по ее проекции к системе измерения освещенности поверхности или подключают долю всех светочувствительных элементов, или подключают все светочувствительные элементы соответствующего детектора мерного поля или радиального мерного поля или поля мерных окружностей.
45. Способ по п.44, отличающийся тем, что на проекции поверхности на светочувствительную матрицу выбирают точку начала измерений Р с которой связывают центр подвижной системы координат, а центр неподвижной системы координат О совмещают с центром подвижной системы координат Р, измеряют и запоминают освещенность центра подвижной системы координат Ер, значение высоты поверхности в точке начала измерений принимают равной единице Нр = 1, значение высоты связывают с координатами точки Р в подвижной системе координат Яр(ар,йр) и запоминают; с помощью приводов светочувствительной матрицы центр О неподвижной системы координат перемещают в первую точку, освещенность которой Е отличается от освещенности Ер более, чем на величину погрешности измерений освещенности
Figure imgf000067_0001
> ДЕ, измеряют координаты Ot (аг, bt) первой точки в подвижной системе координат, а высоте поверхности в первой точке присваивают значение отношения освещенностей в первой точке и в точке начала измерений
Figure imgf000067_0002
= — , связывают значение высоты с координатами второй точки
66 и запоминают, причем смещение центра неподвижной системы координат О, измерение значений освещенности точки 0, вычисление высоты поверхности, связывание высоты с координатами второй, третьей и так далее i-той точки О и запоминание связанной с координатам i-той точки высоты Н^щ.Ь^ = —
Е продолжают до тех пор, пока не Р
Pfxmrwfr необходимого числа п измерений, а полученное распределение высот (.Hl avb1),H2 a2,b2), ...,Hn an,bn)'), образованной множеством последовательных положений точки О на матрице во время измерений освещенности используют как множество значений высоты поверхности ^ в соответствующих точках поверхности с координатами (а(, Ь£).
46. Способ по п.44, отличающийся тем, что измеряют освещенность светочувствительных элементов каждого детектора подключенного к системе измерения освещенности, а измеренное значение освещенности считают значением высоты поверхности в месте расположения детектора, причем значение отметки шкалы оси координат или мерной окружности соответствующей расположению центра детектора в первой или второй системе координат матрицы ставят в соответствие полученному значению высоты.
47. Способ по любому из пп.46-47, отличающийся тем, что, если для множества детекторов светочувствительной матрицы (aj, Ь(), дисперсия измеренной освещенности не превышает величины погрешности ДЕ, то принимают решение о том, что множество точек образует связное пространство точек плоской поверхности, а освещенности Е( всех точек множества
Figure imgf000068_0001
приравнивают значению освещенности Е одной выбранной точки последовательности (a,b).
48. Способ по п.47, отличающийся тем, что если при измерении освещенности светового стимула принято решение о наличии двух связных пространств точек с разными измеренными освещенностями Ег и Е то принимают решение о том, что световой стимул является проекцией на светочувствительную матрицу двух плоских поверхностей с освещенностями Ег и Ег, образующих в пересечении угол р, указанные освещенности и Е2 располагают в порядке или снижения или увеличения освещенности, а в качестве неизменного цифрового описания угла используют отношение измеренных освещенностей Е2/Е или арккосинуса отношения arccos
Figure imgf000068_0002
-
49. Способ по п.47, отличающийся тем, что, если при измерении освещенности светового стимула принято решение о наличии п связных пространств точек с разными измеренными освещенностями, то принимают решение о том, что световой стимул является проекцией на светочувствительную матрицу п плоских поверхностей, образующих в пересечении друг с другом множество углов, а измеренные значения освещенности ранжируют в порядке уменьшения или увеличения освещенности 1 ■ Е ...,Еп, затем рассчитывают отношения названных освещенностей г Е ,Е2, 3 Е Е п
Figure imgf000068_0003
а последовательность arccos—,arccos—, ..., arccos-^- или используют в качестве неизменного цифрового описания для идентификации названной объемной фигуры или для идентификации множества углов = — ,р2 p2 =
Figure imgf000068_0004
67 образуемых множеством плоскостей в пересечении друг с
Figure imgf000069_0001
другом.
50. Способ определения удаления светового стимула от бинокулярной системы технического зрения (БСТЗ), характеризующийся тем, что для БСТЗ используют две матрицы, которые располагают так, чтобы в исходном положении матрицы лежали в одной плоскости, полярные системы матриц были одинаковыми, оптические оси оптических систем каждой из матриц были параллельны и находились на расстоянии L друг от друга, а одинаковые приводы матриц при этом находились в таком эталонном положении, чтобы при смещении приводов из эталонного в любое предельное положение матрица также смещалась в соответствующее предельное положение; для измерения дальности светового стимула каждую из матриц с помощью приводов матрицы поворачивают так, чтобы названный световой стимул оказался в центре неподвижной системы координат соответствующей матрицы, измеряют значение местоположения каждого из приводов и, если значения отличаются, то вычисляют значение угла конвергенции или дивергенции оптических осей БСТЗ, соответствующего разнице значений местоположения приводов, а значение дальности вычисляют с использованием значения названного угла и названного расстояния L между оптическими осями по формуле параллакса зрения.
68
PCT/RU2021/000052 2021-01-27 2021-01-27 Способ измерения местоположения и удаления светового стимула WO2022164337A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000052 WO2022164337A1 (ru) 2021-01-27 2021-01-27 Способ измерения местоположения и удаления светового стимула

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2021/000052 WO2022164337A1 (ru) 2021-01-27 2021-01-27 Способ измерения местоположения и удаления светового стимула

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022164337A1 true WO2022164337A1 (ru) 2022-08-04

Family

ID=82653757

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/000052 WO2022164337A1 (ru) 2021-01-27 2021-01-27 Способ измерения местоположения и удаления светового стимула

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2022164337A1 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115393972A (zh) * 2022-08-30 2022-11-25 四川航天烽火伺服控制技术有限公司 一种滚柱螺纹法向截形偏差检测方法
CN116909240A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 深圳市今天国际智能机器人有限公司 Agv小车的装卸车动态路径规划方法、系统及相关介质

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165257A1 (en) * 2007-01-05 2008-07-10 Micron Technology, Inc. Configurable pixel array system and method
US20110211068A1 (en) * 2010-03-01 2011-09-01 Soichiro Yokota Image pickup apparatus and rangefinder
US20140333787A1 (en) * 2008-05-20 2014-11-13 Pelican Imaging Corporation Systems and Methods for Parallax Measurement Using Camera Arrays Incorporating 3 x 3 Camera Configurations

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080165257A1 (en) * 2007-01-05 2008-07-10 Micron Technology, Inc. Configurable pixel array system and method
US20140333787A1 (en) * 2008-05-20 2014-11-13 Pelican Imaging Corporation Systems and Methods for Parallax Measurement Using Camera Arrays Incorporating 3 x 3 Camera Configurations
US20110211068A1 (en) * 2010-03-01 2011-09-01 Soichiro Yokota Image pickup apparatus and rangefinder

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115393972A (zh) * 2022-08-30 2022-11-25 四川航天烽火伺服控制技术有限公司 一种滚柱螺纹法向截形偏差检测方法
CN116909240A (zh) * 2023-09-13 2023-10-20 深圳市今天国际智能机器人有限公司 Agv小车的装卸车动态路径规划方法、系统及相关介质
CN116909240B (zh) * 2023-09-13 2023-11-17 深圳市今天国际智能机器人有限公司 Agv小车的装卸车动态路径规划方法、系统及相关介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Taylor et al. Gelslim 3.0: High-resolution measurement of shape, force and slip in a compact tactile-sensing finger
CA3040002C (en) A device and method for obtaining distance information from views
WO2022164337A1 (ru) Способ измерения местоположения и удаления светового стимула
CN109767476A (zh) 一种自动对焦双目摄像头标定及深度计算方法
CN104778656B (zh) 基于球面透视投影的鱼眼图像校正方法
US9664507B2 (en) Depth value measurement using illumination by pixels
CN105374044B (zh) 一种光场相机的自动标定方法
CN102081296A (zh) 仿复眼视觉的动目标快速定位及全景图同步获取装置及方法
JP2010276433A (ja) 撮像装置、画像処理装置及び距離計測装置
Hu et al. Aerial monocular 3d object detection
US20170180702A1 (en) Method and system for estimating the position of a projection of a chief ray on a sensor of a light-field acquisition device
Feng et al. A pattern and calibration method for single-pattern structured light system
JP7393542B2 (ja) 複眼カメラ装置および複眼システム
Li et al. Camera geometric calibration using dynamic single-pixel illumination with deep learning networks
Yue et al. Accurate three dimensional body scanning system based on structured light
Yin et al. High-precision and rapid binocular camera calibration method using a single image per camera
Brassart et al. Experimental results got with the omnidirectional vision sensor: SYCLOP
US20220103797A1 (en) Integrated Spatial Phase Imaging
Liao et al. A calibration method for uncoupling projector and camera of a structured light system
CN106066207A (zh) 一种平行光路组合式多源信息采集处理装置及方法
CN110322561A (zh) 用于机器人无序分拣的3d相机及其测量方法
CN104596486B (zh) 基于目标旋转对称特征的位姿测量方法
Neumann et al. Eyes from eyes: New cameras for structure from motion
CN111866490A (zh) 深度图像成像系统和方法
Wolff et al. Three-dimensional stereo by photometric ratios

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21921656

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21921656

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1