СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА Российский патент 1997 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к телевизионным методам измерения пространственных параметров объектов и может использоваться в частности в легкой промышленности, медицине и торговле для антропометрии и моделирования формы.

Для анализа трехмерных сцен используются различные варианты стереоскопических методов. Такие системы содержат две телекамеры, оптические оси которых смещены относительно друг друга на известное расстояние. При анализе двух изображений стереопары находят сопряженные (парные) точки и определяют разность их координат на изображениях. Ключевой проблемой стереозрения является надежность идентификации и поиска сопряженных точек, которая зависит от характера изображения. Это приводит к тому, что трехмерные координаты удается определить лишь для отдельных точек части изображения и ценой весьма сложных, не гарантирующих достоверности процедур [1]
Известен способ измерения поверхности [2] включающий освещение поверхности группой перпендикулярных одной плоскости лучей света, получение изображения следа этих лучей камерой, оптическая ось которой лежит в плоскости, перпендикулярной плоскостям лучей и определение пространственной формы поверхности объекта по положению изображения лучей, который обеспечивает повышение точности и достоверности оценки пространственных параметров объектов по сравнению со стереотелевизионным пассивными системами за счет подсветки поверхности объекта группой плоских лучей. Этот способ выбран прототипом предлагаемого технического решения. Недостатком способа прототипа является снижение точности и достоверности результатов измерения, если объект не находится на опорной плоскости или если его поверхность не занимает весь кодр. Эта ситуация возникает почти всегда при попытках измерения полной поверхности объемных фигур, возвышающихся или не касающихся опорной плоскости (например в антропометрии и при моделировании формы). Этот недостаток обусловлен тем, что в способе прототипе пространственные характеристики объекта рассчитывают по смещению изображений световых полос на поверхности объекта по отношению к изображению этих полос на опорной плоскости или близкой к плоской поверхности. При удалении опорной плоскости на расстояние соизмеримое с размерами объекта возникает проблема идентификации плоских лучей, освещающих объект с их изображениями, получаемыми телекамерой. Эта идентификация необходима, так как для правильного определения координат точек поверхности объекта используется информации о пространственном положении каждой световой плоскости, освещающей объект.

Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности и достоверности с одновременным расширением технических возможностей.

Задача достигается тем, что поверхность освещают группой плоских лучей света, располагают телевизионную камеру таким образом, что ее оптическая ось лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости лучей регистрируют изображения следа этих лучей и по положению изображения лучей определяют пространственную форму поверхности объекта отличающийся тем, что предварительно выбирают один из двух крайних лучей в группе для задания начала анализа изображения лучей, при анализе положения изображения измеряя освещенность в столбцах (или стоках) изображения, одному из ближайших к параллельным плоскостям лучей границам изображения световых пятен ставят в соответствии выбранный луч, а его изображение определяют как последовательность связных с выбранным пятном световых пятен по обе стороны от выбранного пятна, выбирают из столбцов пересекающих изображение выбранного луча любой столбец с наибольшим числом световых пятен, а пространственную форму поверхности объекта определяют по изображению лучей в обе стороны от выбранного столбца как световых пятен, связанных с пятнами этого столбца.

Существенными отличиями предлагаемого технического решения является то, что предварительно выбирают один из двух крайних лучей в группе для задания начала анализа изображения лучей, при анализе положения изображения измерения освещенность в столбцах (или стоках) изображения, одному из ближайших к параллельным плоскостям лучей границам изображения световых пятен ставят в соответствии выбранный луч, а его изображение определяют как последовательность связных с выбранным пятном световых пятен по обе стороны от выбранного пятна, выбирают из столбцов пересекающих изображение выбранного луча любой столбец с наибольшим числом световых пятен, а пространственную форму поверхности объекта определяют по изображению лучей в обе стороны от выбранного столбца как световых пятен, связных с пятнами этого столбца.

На фиг. 1, 2, 3 приведена схема устройства, реализующего способ.

Устройство, реализующее способ, включает в себя опорную площадку 1 для измерения объекта 2, телекамеру, содержащую объектив 3 и фоточувствительную мишень 4 типа ФПЭС-матриц. Осветитель выполнен в виде источника проекционного типа (диапроектора) 5. Диапроекторы 5 проектируют на поверхность объекта изображение трафарета, которое представляют собой набор параллельных опорной площадке 1 прямых светлых линий. Оптические оси телекамер 3 составляют с вертикальной осью угол. Телекамера через пороговое устройство 6 связана с блоком памяти на кадр 7, на который подается код адресов освещенных элементов матриц 4. Выход блока памяти 7 соединен с анализатором столбца 8, выходные сигналы которого поступают на управляющее устройство 9. Управляющее устройство связано с генератором адреса 10 и оперативной памятью 11 (ОЗУ). С блоком ОЗУ 11 также соединен вычислитель координат 12.

Анализатор столбца 8 может быть выполнен следующим образом. Он содержит два регистра для хранения изображений текущего и предыдущего столбцов, а также устройство принятия решений на основе схемы сравнения содержимого регистров. Анализатор выдает большее число пятен текущего или предыдущего столбца и номера пятен предыдущего столбца, связных с пятнами текущего столбца.

Измерение координат поверхности производят следующим образом. Объект 2 устанавливается на опорной площадке 1 таким образом относительно камеры и осветителя чтобы крайний (заранее выбранный) луч группы пересекал поверхность объекта, а его изображение обязательно присутствовало на мишени камеры 4. Включается проектор 5 и поверхность освещения плоскими лучами, а изображения следа этих лучей на поверхности принимается на матрице 4. Следует принять меры чтобы других изображений в кадре не было (например затенить зону измерения и обклеить все поверхности в кадре кроме объекта черной бумагой).

Производится согласованное сканирование кадра изображения телекамеры и адресов кадрового запоминающего устройства 7. Видеосигнал с телекамеры подается на пороговое устройство 6, где происходит его бинаризация. В случае если видеосигнал превышает пороговое напряжение U_оп по данному адресу A_i∈m_in_i записывается "1" и считается, что здесь на изображении имеется световое пятно. Условимся, что камера 4 ориентирована таким образом, что строки параллельны плоскостям лучей, а начальная строка сканирования находится со стороны ожидаемого положения заранее выбранного начального луча. При фиксации пороговым устройством первого с начала сканирования светового пятна, его адрес A_o (точнее адрес столбца n_o) запоминается в ОЗУ.

После запоминания кадра в кадровом ЗУ 7 устройство управления 9 устанавливает адрес A_o и соответствующий столбец поступает на анализатор 8. Затем устройство управления 9 через генератор адреса 10 последовательно подает на анализатор 8 смежные столбцы изображения путем увеличения на единицу адресов в одну строку от начального столбца A_o и путем уменьшения в другую сторону. При этом в ОЗУ 11 записывают адреса связных пятен соответствующих изображению начального заранее выбранного столбца и этой группе пятен присваивают номер начального луча. Этот процесс прекращается по сигналу анализатора о прерывании первого (начального) луча. Кроме того при отслеживании начального луча в ОЗУ 11 хранится адрес последнего столбца, имеющего наибольшее число пятен по сравнению с предыдущими A_r. Эти пятна нумеруют начиная с первого принадлежащего изображению начального заранее выбранного луча.

После отслеживания начального луча, устройство управления 9 устанавливает столбец по адресу A_r и производит отслеживание лучей путем наращивания адреса столбца на единицу при движении в одну строку и путем уменьшения адреса при движении в одну сторону. При этом в ОЗУ 11 записывают адреса связных пятен, составляющих изображения остальных лучей и группам этих пятен присваивают номера лучей последовательно, начиная с начального луча.

Если найденное число лучей меньше максимального, описанный метод может быть повторно применен для части изображения незанятой отслеженными лучами (границей адресов может служить изображение луча с наибольшим номером) при этом для вновь найденного первого светового пятна и отслеженного от него начального луча устанавливается номер на единицу больше номера последнего отслеженного на предыдущем этапе луча.

Для сложных случаев процесс может повторяться многократно, пока не будут отслежены все лучи.

Для повышения помехоустойчивости при определении связности могут задаваться допустимые величины разрывов лучей при отслеживании и минимальная длина отслеженного луча, меньше которой луч считается помехой. При этом анализатор может содержать большее число регистров для хранения смежных столбцов.

Для повышения точности и помехоустойчивости анализ может проводиться и для полутонового изображения. При этом пороговое устройство заменяется аналого-цифровым преобразователем и усложняется схема принятия решений анализатора.

В результате вышеописанного процесса в ОЗУ 11 оказываются записанными координаты освещенных точек, рассортированных по соответствующим световым сечениям. Для того чтобы визуальная информация была однозначной для каждого изображения светового сечения в столбцах выбирается одна значащая точка. Эта точка может быть найдена как среднее от координат точек данной группы в столбце или как центр яркости.

Расчет координат точек поверхности производят следующим образом. Пусть на фиг. 1 изображена точка i поверхности объекта и ее изображение на матрице 4 в двух проекциях с координатами m_i, n_i. Изображение строится с помощью объектива 3, оптическая ось которого пересекает ось OZ под углом α Точка i принадлежит плоскости светового луча j, который составляет с оптической осью угол a Этот же луч j пересекает оптическую ось на расстоянии от оптического центра F, равном C_j. Так же известны и, кроме того, неизменны отрезки: f внутренний фокус объектива 3; A расстояние от точки F до оси ZO; B расстояние от точки F до оси YO.

Величина m определяет величину угла базирования точки i из точки f < θ

Из треугольника, образованного вершинами F, i и точкой пересечения оптической оси и луча j. В этом треугольнике известны сторона C и два угла β и θ
Найдем расстояние от оптического центра F до точки i

Заметим, что координаты точки Z_i, Y_i всегда меньше соответствующих величин B и A. При этом угол между отрезком iF и осью OZ составляет α-θ
Соответственно:

Отсюда


Учитывая, что
имеем

Учитывая показанное выше, получим:

или

Аналогично имеем для Z

Эти формулы предусматривают, что при отрицательных значениях m, отсчитываемой от точки пересечения оптической оси с мишенью 4, вместо угла β берется значение p-β
Величины C_j и b_j постоянны только для одного плоского луча j и могут принимать столько дискретных значений, сколько плоских лучей в рассматриваемом кадре.

Такая форма позволяет учесть любой шаг следования лучей, угол проекции и положение осветителя 5. Информация о величинах С_j и β_j заносится в ЭВМ при калибровке устройства. Массива собственно измерительной информации образован набором m_ij, n_ij для каждого из четырех кадров, где i индекс точек, принадлежащих лучу j на изображении; j индекс луча на изображении.

Для вычисления координаты X_i используется величина n_i, определяющая угол проекции отрезка iF на плоскость XOY с осью OY. Для вычисления X_i предварительно определяется величина Y_i. Учитывая, что угол наклона матрицы 4 к плоскости XOY равен α имеем

Удается получить трехкоординатные отсчеты точек поверхности объекта в виде набора сечений. Предлагаемый способ позволяет повысить точность и достоверность измерений и особенно эффективен при создании приборов автоматического действия для заранее заданного класса объектов. Априорная информация об объекте используется для рационального расположения объекта камеры и осветителя при создании соответствующего устройства. Измерение объекта с нескольких позиций (обычно двух-трех) предложены способом позволяет реализовать полный обмер поверхности бесконтактным способом без средств механического сканирования.

Использованная информация
1. Хорн Б.К.П. Зрение роботов /пер. с англ. М. Мир, 1989, с.487.

2. Бирюк В. Н. Горелик С.Л. Повышение точности и достоверности оценки пространственных параметров объектов // Техника средств связи. Техника телевидения, 1982, вып. 2, с. 51-58.

Использование: изобретение относится к телевизионным методам измерения поверхности в системе с ЭВМ. Техническим результатом предлагаемого решения является повышение точности и достоверности измерений объемных тел с одновременным расширением технических возможностей. Сущность изобретения: поверхность освещают группой плоских лучей света, предварительно выбрав один из двух крайних лучей в группе для задания начала анализа изображения лучей, при анализе положения изображения измеряют освещенность в столбцах (или стойках) изображения, одному из ближайших к параллельным плоскостям лучей границам изображения световых пятен ставят в соответствии выбранный луч, а его изображение определяют как последовательность связанных с выбранным пятном световых пятен по обе стороны от выбранного пятна, выбирают из столбцов пересекающих изображение выбранного луча любой столбец с наибольшим числом световых пятен, а пространственную форму поверхности объекта определяют по изображению лучей в обе стороны от выбранного столбца как световых пятен, связанных с пятнами этого столбца. 3 ил.

Способ измерения поверхности объекта, заключающийся в том, что освещают поверхность группой лучей света, располагают телевизионную камеру таким образом, что ее оптическая ось лежит в плоскости, перпендикулярной плоскостям расположения лучей, регистрируют изображение следа лучей и по положению изображения лучей определяют пространственную форму поверхности объекта, отличающийся тем, что предварительно выбирают один из двух крайних лучей в группе для задания начала анализа изображения лучей, при анализе положения изображения измеряют освещенность в столбцах изображения, одному из ближайших к параллельным плоскостям лучей границам изображения световых пятен ставят в соответствие выбранные луч, а его изображение определяют как последовательность связанных с выбранным пятном световых пятен по обе стороны от выбранного пятна, выбирают из столбцов, пересекающих изображение выбранного луча, любой столбец с наибольшим числом световых пятен, а пространственную форму поверхности объекта определяют по изображению лучей в обе стороны от выбранного столбца как световых пятен, связанных с пятнами этого столбца.