ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА ПАРФЕНОВА ДЛЯ СТЕРЕОГРАММЕТРИЧЕСКОЙ ВИДЕОЗАПИСИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ОБЪЕКТА Российский патент 1996 года по МПК G01C11/28 

Изобретение относится к области машинного зрения и решает задачу получения информации, необходимой для построения трехмерных моделей объектов реального мира. Устройство может выполнять функции измерительной аппаратуры для геодезических, горнодобывающих карьерных работ, при обмерах строительных конструкций на земле и в космосе, в специальных приложениях по архитектуре, монументальной скульптуре, дизайну, интерьерам.

Аналогами данного устройства можно считать стереофотокамеры, камеры для аэрофотосъемки (1), стереотелевизионные устройства для автономных роботов. Наиболее близким по отношению к изобретению является устройство получения многостереопарных телевизионных изображений, описанное в (2). В нем для определения координат точек наблюдаемого объекта реального мира осуществляют съемку одной телекамерой, перемещаемой на прямолинейном отрезке, называемом базисом, в положения, отделенные друг от друга равными долями базиса, получая таким образом многостереопарные изображения. Чтобы сохранить функциональную связь между координатами всех изображений, позволяющую построить машинную трехмерную модель объекта, камера перемещается строго поступательно, сохраняя в пространстве с высокой точностью параллельность трех своих осей. Для ускорения процесса съемки подвижная телекамера может быть заменена несколькими идентичными неподвижными телекамерами, установленными на базисе и ведущими съемку одновременно.

Точность восстановления пространственных координат объекта в его модели зависит от разрешающей способности телекамеры, ее фокусного расстояния и длины базиса. Получение изображений способом прототипа имеет много ограничений, не желательных для потребителей. Основное из них то, что телекамера оказывается связана конструктивно со стереоблоком, достаточно громоздким и имеющим предельный размер длины базиса, а, следовательно, существует ограничение по дальности и точности измерения.

С помощью способа по изобретению можно получить многостереопарные изображения портативной телекамерой, перемещаемой в пространстве без существенных ограничений и решающей задачу, аналогичную решаемой прототипом, с более высокой точностью.

Технический результат достигается тем, что средство контроля за положением камеры в пространстве выполнено в виде инерциальной системы, измеряющей три независимые линейные координаты и три независимые угловые положения перемещающейся в пространстве камеры. Выход инерциальной системы, по которому передается шесть информационных параметров, подключен как дополнительный к видеосигналу изображения. Таким образом, на каждом кадре с изображением объекта будут записаны шесть параметров элементы внешнего ориентирования.

Известные в технике инерциальные системы (3) обладают физическим свойством реагировать на ускорения, воздействующие на них извне, и вырабатывать пропорциональные воздействию сигналы, которые специальным интегрирующим вычислителем пересчитываются в длину пути или угол поворота. Установленная перед измерением в нулевое положение инерциальная система может функционировать в пределах заданной точности конечное время, достаточное для проведения съемки.

Камерная система координат в начальный момент съемки принимается за систему координат X, Y, Z, связанную с измеряемым объектом. Начало ее совпадает с оптическим центром проекций телекамеры. На первом кадре серии стереотелевизионных изображений все шесть записываемых параметров обнулены:
X₁ Y₁ Z₁; α₁=β₁=γ₁=0
Для каждого последующего кадра с номером i будут зафиксированы значения трех линейных координат составляющих перемещения центра проекций X_i, Y_i, Z_i и трех угловых составляющих поворота зоны обзора телекамеры α_i, β_i, γ_i. Эти параметры, называемые элементами внешнего ориентирования изображений, позволяют решить задачу определения координат каждой точки реального объекта по найденной для нее стереопаре.

Чтобы построить точечную машинную модель по его изображениями с элементами внешнего ориентирования, оператор вводит в ЭВМ, оснащенную специальным устройством ввода изображений, как минимум два изображения и 12 параметров, записанных на них. Далее он указывает на обоих изображениях столько пар точек, сколько требуется для заданной точности воспроизведения объекта. Модель строится по специальной программе, использующей метод прямой фотограмметрической засечки.

Введение в телекамеру дополнительного информационного канала в виде инерциальной системы счисления параметров линейного и угловых перемещений является признаком, определяющим существенную новизну устройства получения телевизионных изображений объекта реального мира, представляющих собой стереопары с известными элементами внешнего ориентирования.

Совокупность портативной телекамеры со встроенным видеомагнитофоном и инерциального датчика элементов внешнего ориентирования, позволяющая записать данные, а затем воспроизвести их и построить трехмерную модель наблюдаемого объекта реального мира, является новым качеством, приводящим к положительному эффекту увеличению точности и дальности измерений, сопутствующему приобретению универсальности и удобства в эксплуатации.

Устройство, блок-схема которого приведена на чертеже, представляет собой портативную телекамеру 1 со встроенным видеомагнитофоном 2, электронным видоискателем 3 и формирователем 4 видеосигнала для наложения на телевизионные изображения цифровой информации.

Вновь введенный блок 5 инерциальной системы конструктивно жестко связан с корпусом 6 телекамеры 1, механически составляя с ней единое целое. Информационный выход блока 5 соединен со входом формирователя 4, на другой вход которого подается видеосигнал с изображением наблюдаемого объекта.

Устройство работает следующим образом.

В начале съемки оператор проводит подготовку телекамеры путем установки в ноль показаний инерциальной системы 5, помещает телекамеру (точнее центр проекций) в начало системы координат, связанной с измеряемым объектом (местной системы координат), и ориентирует оси корпуса 6 телекамеры 1 в заранее условленное исходное положение, соответствующее значениям параметров α = 0, β = 0, γ = 0.=0 При этом снимаемый объект наблюдается в поле изображений через электронный видоискатель 3.

По окончании подготовительного этапа оператор включает запись изображений на встроенный видеомагнитофон 2 и начинает перемещаться вместе с телекамерой под углом к направлению обзора, близким к 90^o, на расстояние, достаточное для требуемой точности моделирования наблюдаемого объекта (от одной десятой до одной пятой доли расстояния до объекта). Блок 5 инерциальной системы, включенный одновременно с записью, во время перемещения адекватно реагирует на него, вырабатывая сигналы о шести параметрах движения, например, в виде цифровых кодов. Эти коды объединяются с видеосигналом телевизионного изображения на формирователе 4 и поступают на видеомагнитофон 2.

При воспроизведении видеозаписи изображений оператор, используя аппаратно-программные средства, может последовательно ввести в ЭВМ любую пару изображений наблюдаемого объекта, считать с экрана значения элементов внешней ориентации изображений и передать их посредством клавиатуры в программу построения модели.

Портативное устройство с автономным питанием, переносимое на плече оператором и позволяющее вести съемку практически без каких-либо ограничений, представляет собой очень перспективную измерительную аппаратуру для геодезических, маркшейдерских и прочих специальных работ на крупногабаритных объектах.

Использование данного устройства по сравнению с прототипом обеспечивает преимущества:
по точности измерения как за счет увеличения базиса, так и за счет большего числа стереопар;
по дальности измерения за счет широких возможностей вариации размеров базиса и трансфокатора;
по универсальности применения аппаратуры ввиду ее портативности и автономности;
по вариациям ракурсов и масштабов увеличения изображений с помощью трансфокации (изменения фокусного расстояния) и конвергенции (обхода снимаемого объекта с разных сторон).

Использование: в области машинного зрения, для получения информации, необходимой для построения трехмерных моделей объектов реального мира. Сущность изобретения: с целью получения многостереопарных изображений портативной телекамерой, перемещаемой в пространстве без существенных ограничений и решающей задачу, аналогичную съемке стереокамерой, с более высокой точностью, телекамеру дополняют информационным каналом в виде инерционной системы счисления параметров собственного движения (линейных и угловых перемещений). Измеренные элементы внешнего ориентирования изображений записываются на соответствующих этому моменту телевизионных кадрах изображений снимаемого объекта. Телекамера должна найти широкое применение в геодезических, маркшейдерских и строительных работах. 1 ил.

Телевизионная камера для стереограмметрической видеозаписи изображений объекта, обеспечивающей построение его трехмерной машинной модели, содержащая видеомагнитофон, производящий запись телевизионных кадров, и средство для контроля перемещения камеры, отличающаяся тем, что средство контроля перемещений камеры выполнено в виде инерциальной системы, измеряющей три независимые линейные координаты и три независимых угловых положений перемещающейся в пространстве камеры и записывающей эти данные на соответствующих кадрах.