CC BY
169
УДК 621.395
Е.В. Ларкин, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 35-02-19, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.В. Котов, д-р техн. наук, проф., [email protected] (ТулГУ) ,
Н.А. Котова, канд. техн. наук, доц., [email protected] (ТулГУ)
СИСТЕМА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ РОБОТА С ПАНОРАМНЫМ ОБЗОРОМ
Предложены структура и методика построения системы технического зрения, обеспечивающая круговой обзор и формирование панорамною изображения, отличающиеся упрощённой оптической частью и реализацией компенсатора поворота изображения программными средствами
Ключевые слова: система техническою зрения, панорама, многокадровая модель изображения, видеокамера.
Задача формирования панорамных изображений возникает при построении систем технического зрения мобильных роботов, систем, обеспечивающих анализ ситуации в рабочей зоне и свободном пространстве вблизи рабочей зоны робота, а также при создании систем охраны объектов, видео детекторов движения и т.п. Панорамирование может быть осуществлено различными способами [1], основные из которых рассмотрены ниже.
Примером бескинематической системы технического зрения является многокамерна система, в которой отдельные камеры располагаются таким обраом, чтобы совокупное поле зрения системы охватывао всю панораму (рис. 1, я). При высоких технических характеристиках подобна система отличается высокой стоимостью и большими габаритами.
Ещё одним вариантом бескинематической системы является купольная оптическа система со сверхширокоугольным объективом типа «рыбий глаз» (рис. 1, б). При маых габаритах и дешевизне для неё характерны низкое пространственное рарешение ввиду относительно небольшого числа пикселей в единственном фотоэлектронном преобраователе и потери значительной части полезной площади кадра при формировании панорамы.
Для сканирующей системы на поворотной платформе (рис. 1, в) характерна недостаточно высока надежность про водного соединения неподвижно установленной аппаратуры передач данных и блока управления с подвижной телекамерой. Кроме того, в такой системе имеются динамические «мертвые зоны», поскольку вращение по углу азимута осуществляется в возвратно-поступательном режиме.
Неподвижность фоточувствительного приёмника при одновременном обеспечении формирования круговой панорамы может быть обеспе-
чена в системе с оптической компенсацией поворота изображения на основе призм Дове, Аббе, Пехана (рис. 1,г). При достаточно высоких технических храктеристиках эту систему отличают сложность оптической части и значительные габаритные размеры.
Рис. 1. Варианты структур панорамных систем технического зрения
Учитывая постоянно возрастающие технические храктеристики компонентов цифровых устройств (ёмкость памяти, быстродействие процессоров) и снижающуюся их стоимость, можно существенно упростить оптическую систему и уменьшить её массу и габариты за счёт исключения оптического компенсатора вращения изображения и реализации его функций программными средствами. Схема такого устройства представлена на рис. 2.
Оптико-мехнический узел работает в старт-стопном режиме. В начальный момент времени с помощью датчика положения поворотное зер-као устанавливается в положение, при котором горизонталь земной системы координат окаывается паралельной длинной стороне кадра. Производится сканирование пространства и результаты сканирования через блок управления и интерфейс передаются во внешнюю ЭВМ. После
этого через блок управления с внешней ЭВМ передается команда управления, по которой привод поворотного зеркала, в качестве которого может использоваться шаговый двигатель, поворачивает зеркало на заданный угол.
Рис. 2. Структура панорамной сканирующей системы с программной
компенсацией поворота
Фоточувствительная матрица имеет размеры М х N пикселей. В процессе сканирования изображение кадра вращается в её плоскости (рис. 3).
Очевидно, что при программной реализации компенсации вращения изображения, диагон аь скорректированного кадра размерами а х Ь пикселей должна быть не больше минимаьного рамера фоточувстви-тельной матрицы. Таким обраом, выбирая размеры скорректированного кадра, необходимо обеспечивать совместное выполнение условий
0 <а <М и Ь < VМ 2 -а2 .
Если обозначить множество пикселей исходного изображения как {р[т,п]}, а множество пикселей скорректированного изображения как
|р*[т,п], то процесс компенсации вращения и формирования скорректированного изображения можно свести к поэлементному преобразованию вида
Р*\т,п] = Р т*,п* ,
где координаты т*,п определяются как результат аффинного преобразования:
т
п
п
п
N
2 у 2
Б1П ф£ +
СОБ ф£
т
т
М 2 . М 2
СОБЦк.
Угол ф£ в последних выражения определяется через общее число
2 %
кадров К, обраующих панораму, как фк = к—, где к — номер кадра.
К
Рис. 3. Определение размеров корректируемой области кадра
Для обеспечения возможности автоматического совмещения отдельных кадров в общую панораму число К еле дет выбирать таким, чтобы при сканировании сохранялось перекрытие соседних кадров (рис. 4, а), т. е. угол поворота камеры при формировании последовательно расположенных кадров должен быть меньше ширины поля зрения отдельного кадра. В этом случае в последовательно расположенных кадрах будет присутствовать изображение одного и того же фрагмента сцены (рис. 4, б).
Поля соседних кадров, ограниченные соответствующей зоной перекрытия, могут рассматриваться как пара элементов многокадровой модели изображения. Это позволяет использовать с соответствующей адаптацией к условиям решаемой задачи существующий математический аппарат обработки многокадровых моделей изображений, подробно описанный в [2].
Сборка панорамы представляет собой последовательное совмещение соседних кадров (к -1) и к для всех к = 1...(К -1). Кратко методика совмещения кадров может быть сформулирована следующим образом.
*
*
Рис. 4. Формирование последовательно расположенных кадров
панорамного изображения
1. Зона перекрытия левого из рассматриваемых кадров с номером {к -1) разбивается на некоторое количество непересекакмцихся подобластей, внутри каждой из которых выбирается по одной опорной точке. В качестве критерия отнесения точки к множеству опорных может быть выбран, например, максимум дисперсии яркости пикселей, образующих окружение этой точки, по сравнению со всеми другими точками соответствующей подобласти.
2. В зоне перекрытия правого из рассматриваемых кадров с номером к осуществляется поиск точек, соответствующих опорным. Поскольку оба кадра в процессе компенсации вращения изображения были предварительно скорректированы, несоответствия в координатах исходных опорных точек левого кадра и отыскиваемых соответствующих точек правого кадра должны отличаться не очень существенно. Это позволяет в качестве критерия соответствия использовать максимум коэффициента корреляции или минимум суммы квадратов разностей яркостей пикселей, вычисляемый по некоторому окружению.
3. На основании различи в координатах опорных пикселей в рассматриваемых кадрах вычисляются линейное смещение и угол поворота правого кадра относительно левого по зависимостям, приведённым в [2].
4. Выполняется аффинное преобразование правого кадра с найденными значениями сдвига и поворота с целью совмещения в единое изображение с левым кадром.
Таким образом, исключение из системы блока оборачивания изображений, предназначенного для компенсации поворота изображения в плоскости расположения фотоприемников, позволяет существенно упростить систему, даже по сравнению с купольными камерами с одностепенным и двухстепенным подвесами. Это, в свою очередь, обеспечивает существенное снижение стоимости и повышение конкурентоспособности
предлагаемого устройства по сравнению с известными аналогами. Алгоритмы обработки изображений в рассматриваемой системе по временной вычислительной сложности сопоставимы, например, с агоритмами исправления аберраций в бескинематических купольных камерах.
Список литературы
1. Грязин Г.Н. Оптико-электронные системы для обзора пространства. Л.: Машиностроение, 1988. 224 с.
2. Данилкин Ф.А. Методы обработки многокадровых моделей изображений. В.В. Котов. Тула: ТулГУ, 2000. 96 с.
E. Larkin, V. Kotov, N. Kotova
Panoramic scanning robot vision system
Structure and design technique of robot vision system which is provided panoramic scanning are offered. The structure is characterized by simplified optical system thanks to software compensation of image rotation.
Получено 07.04.09
УДК 621.873:681.518.5
Г.В. Селиверстов, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-22-88, [email protected] (Росси, Тула, ТулГУ),
А.С. Данилов, асп., (4872) 33-22-88, [email protected] (ТулГУ)
СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ КОРРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В МЕТАЛЛОКОНСТРУКЦИЯХ
Обосновывается необходимость визуально-оптического обследования поверхностных слоев ржавчины сталей. Предложен способ диагностики коррозионных процессов металлоконструкций.
Ключевые слова: коррозия, адсорбция, ржавчина, диагностирование, оптический метод.
Воздействие атмосферной коррозии приводит не только к изменению сечения конструктивных элементов, а следовательно, и к увеличению напряжений от приложенных нагрузок, но ик изменению механических характеристик материла в результате адсорбционного воздействия среды.
Адсорбция поверхностно-активных веществ (ПАВ) приводит к снижению поверхностной энергии твердых тел (металлов), что ведет к уменьшению твердости материала и его прочностных характеристик (повышению пластичности) [3]. Описанное явление называется эффектом Ребиндера.
Схожее влияние на метал оказывает внешняя среда. Снижение поверхностной энергии под адсорбционным воздействием среды (слой влага)
