ФОТОГРАММЕТРИЧЕСКОЕ РАБОЧЕЕ МЕСТО Российский патент 2004 года по МПК G01C11/00 

Область техники
Данное техническое решение относится к области вычислительной техники, а именно к устройствам для получения изображений, специально предназначенных для фотограмметрии.

Уровень техники
Аналогом данного технического решения является известное устройство - вычислительный комплекс "Аналит" РДПИ.320308, состоящий из стереокомпаратора, спецвычислителя и ЭВМ с соответствующим программным обеспечением.

Недостатком известного аналога является отсутствие возможности визуализации графики и соответственно точного контроля и исправления цифровой модели рельефа (ЦМР).

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является фотограмметрический прибор - IntcerMap 6487 ImageStation (INTERGRAPH, USA) (см. рекламные материалы INTERGRAPH Solutions for the Technical Desktop), содержащий цифровой стереоплоттер, стереообзорную систему, процессор для компрессии/декомпрессии данных для минимизации файловой памяти образа, эргономически сконструированный стол.

Недостатки прототипа:
не обеспечивается наведение на точку изображения с точностью до1/4 пиксела;
не обеспечивается возможность плавного перемещения графики по изображению для контроля и последующего исправления продукции оператором;
дороговизна аппаратуры.

Сущность изобретения
Фотограмметрическое рабочее место (ФРМ) содержит персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) в базовой конфигурации, состоящую из системного блока с подключенными нему монитором, клавиатурой, манипулятором графической информации типа "мышь" и принтером, стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ), состоящее из цветного монитора, приэкранного поляризационного фильтра (ППФ), джойстика координат (ДЖК), джойстика параллаксов (ДЖП) и пульта оператора (ПО).

Целью данного технического решения является создание фотограмметрического прибора для обработки космических и аэрофотоснимков для получения цифровых моделей рельефа и кадастровых планов с более высокой точностью и меньшими стоимостными характеристиками.

Для получения данного технического результата известное устройство дополнительно содержит контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства, первый выход которого соединен с входом цветного монитора, второй выход с входом приэкранного поляризационного фильтра, три входа контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства соединены соответственно с выходами джойстика координат, джойстика параллаксов и пульта оператора, а вход-выход контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства с выходом-входом локальной вычислительной сети (ЛВС) системного блока ПЭВМ.

Контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства содержит блок сопряжения с ЭВМ, первый вход-выход которого соединен по шине SCSI с выходом-входом адаптера системного блока ПЭВМ, второй вход-выход с внутренней шиной ШД контроллера, первый (Адрес ЛвК) и второй (Адрес ПрК) выходы блока сопряжения с ЭВМ соединены с внутренней шиной АДР контроллера, а первый и второй входы блока сопряжения с ЭВМ соответственно с цепями синхронизации ЛвК и ПрК, регистр пульта оператора (РгПО), вход которого соединен с выходом пульта оператора, а выход с внутренней шиной данных ШД контроллера, регистр джойстиков, два входа которого соединены соответственно с выходом джойстика координат (ДЖК) и джойстика параллаксов (ДЖП), а выход с внутренней шиной данных ШД контроллера, узел управления приэкранного поляризационного фильтра ППФ, выход которого соединен с входом приэкранного поляризационного фильтра, а вход с цепью синхронизации ЛвК, оперативное запоминающее устройство изображения (ОЗУИ), четыре входа которого ЛвК и ПрК соединены попарно соответственно с внутренней шиной адреса (АДР) и шиной данных ШД, логическую схему ИЛИ, выход которой соединен с внутренней шиной данных ШД, оперативное запоминающее устройство графики (ОЗУГ), четыре входа которого ЛвК, ПрК попарно соединены соответственно с внутренними шиной адреса (АДР) и шиной данных ШД, первый регистр номеров траекторий (РНТр1), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), второй регистр номеров траекторий (РНТр2), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), счетчик номеров траекторий (СчНТр), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), регистр оперативного запоминающего устройства изображений (РгОЗУИ), вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства изображений (ОЗУИ), а выход с первым входом логической схемы ИЛИ, регистр оперативного запоминающего устройства графики (РгОЗУГ), вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства графики (ОЗУГ), а выход со вторым входом логической схемы ИЛИ, узел формирования марки, вход которого соединен с внутренней шиной адреса (АДР), схему сдвига изображения, вход которой соединен с выходом регистра оперативного запоминающего устройства изображения (РгОЗУИ), дешифратор номеров точек графики, четыре входа которого соединены соответственно с выходом регистра оперативного запоминающего устройства графики (РгОЗУГ), первого регистра номеров траекторий (PHTp1), второго регистра номеров траекторий (РНТр2) и счетчика номеров траекторий (СчНТр), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого соединен с выходом схемы сдвига изображений, схему сдвига графики, вход которой соединен с выходом дешифратора номеров точек графики, блок сопряжения с монитором, три входа которого соединены соответственно с выходом узла формирования марки, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и схемы сдвига графики, а три выхода (Видео, Н и V) с соответствующими входами цветного монитора.

На фиг.1 приведена структурная схема фотограмметрического рабочего места.

На фиг. 2 приведена структурная схема стереоскопического видеоконтрольного устройства.

Пример варианта выполнения устройства
Принцип стереоскопического измерения, реализованный в устройстве.

Вариант принципа стереоскопического измерения, реализованный в устройстве - неподвижная марка, подвижная модель. Перемещение левого изображения модели относительно правого приводит к видимому перемещению модели вдоль луча зрения (на оператора или от него). Левое и правое изображения марки неподвижны и совмещены. Параллакс марки (Рмк) равен нулю. Марка постоянно лежит в плоскости экрана. Оператор, изменяя параллакс модели (Рмд), перемещает ее и совмещает изображение некоторой точки поверхности модели с изображением неподвижной марки. При этом параллакс точки модели, совмещенной с маркой, равен Рмд-Рмк. Точность отсчета составляет 1 пиксел - минимальная величина, на которую могут быть раздвинуты (сдвинуты) левое и правое изображения модели.

Особенностью, реализованной в образце, является возможность отображения левого и правого изображений марки не только в одной точке, но и на расстояниях l/4, 2/4 и 3/4 пиксела между ними. Это изменение параллакса марки перемещает ее вдоль оси зрения и обеспечивает возможность измерения параллакса точек модели относительно марки с точностью 1/4 пиксела. При этом как обычно модель может перемещаться через 1 пиксел. Монотонное перемещение модели относительно марки выглядит следующим образом (начальный параллакс модели относительно марки Р, см. таблицу).

Параллакс модели меняется через пиксел, параллакс марки - через 1/4 пиксела. Измеряемый параллакс, равный разности параллакса модели и марки, изменяется через 1/4 пиксела.

Принципиально для отображения графики достаточно одного бита на пиксел. Ноль - графики нет. Единица - пиксел заполнен цветом графики. Однако в этом случае дискретность отображения стереоскопической графики по параллаксу (высоте) будет соответствовать одному пикселу. Операторы утверждают, что отображенный профиль они видят ступенчатым, в то время как рельеф выглядит гладким. Шаг по параллаксу, равный пикселу, велик.

Особенностью устройства является выделение байта памяти на каждый пиксел растра графики. Байты, соответствующие пустым пикселам (без графики), пусты. В байтах, соответствующим пикселам, содержащим точки графики, записываются: в двух разрядах - смещение точки графики относительно номинального положения, выраженное в четвертях пиксела, в остальных разрядах - номер траекторий (графического образа - профиля, горизонтали и т.п.). Такая структура позволяет держать в памяти графики не один объект отображения, а несколько (до 64). Это позволяет в каждый момент времени высвечивать только те графические объекты, номера которых заданы (до трех). Кроме того, без всякой подготовки можно показывать некоторую последовательность образов (мультипликация), перебирая их номера. Так возможен показ профиля рельефа, плавно скользящего по нему, или горизонталей, плавно перемещающихся по высоте. Эти эффекты существенно ускоряют контроль вычисленного рельефа при одновременном повышении качества контроля.

Наличие записи смещения позволяет реализовать его путем задержки отображаемой точки во времени на записанную величину, что поднимает качество отображения графики. Для оператора это практически устраняет ступенчатость отображаемого профиля.

Техническая реализация.

Фотограмметрическое рабочее место (ФРМ) (фиг.1) содержит персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) 1, состоящую из системного блока 2, монитора 3, клавиатуры 4, манипулятора "мышь" 5, принтера 6, и стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ) 7, состоящее из контроллера СВКУ 8, монитора цветного 9, приэкранного поляризационного фильтра (ППФ) 10, джойстика координат (ДЖК) 11, пульта оператора (ПО) 12 и джойстика параллаксов (ДЖП) 13.

Контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства (фиг.2) содержит блок сопряжения с монитором 14, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 15, схему сдвига графики 16, узел формирования марки 17, схему сдвига изображения 18, дешифратор номеров точек графики 19, регистр оперативного запоминающего устройства изображений (РгОЗУИ) 20, регистр оперативного запоминающего устройства графики (РгОЗУГ) 21, ОЗУ изображений (ОЗУИ) 22, логическая схема ИЛИ 23, оперативное запоминающее устройство графики (ОЗУГ) 24, первый регистр номеров траекторий (PHTp1) 25, второй регистр номеров траекторий (РНТр2) 26, счетчик номеров траекторий (СчНТр) 27, регистр пульта оператора (РгПО) 28, блок сопряжения с ЭВМ 29, регистр джойстиков 30, узел управления приэкранного поляризационного фильтра (ППФ) 31, адаптер 32.

Принцип работы фотограмметрического рабочего места.

ФРМ предназначено для получения цифровой матрицы рельефа (ЦМР) по цифровым фотоизображениям стереопар фотоснимков.

Оно состоит (см. фиг.1) из ПЭВМ 1, стереоскопического видеоконтрольного устройства (СВКУ) 8, стандартного программного обеспечения (ПО) (Windows) и двух специальных программных пакетов, один из которых позволяет обрабатывать космические снимки, а другой - аэрофотоснимки масштаба 1:500, 1:2000, 1:4000 и т. д. для получения кадастровых планов на заданные районы в электронном виде.

Работа на ФРМ состоит из нескольких этапов, выполняемых с помощью алгоритмов специального программного обеспечения (СПО):
автоматический ввод информации о снимках со сканера;
внутреннее ориентирование стереоснимков в автоматическом режиме;
взаимное ориентирование снимков в интерактивном режиме;
внешнее ориентирование снимков в автоматизированном режиме;
автоматическое получение ЦМР;
интерактивная доработка ЦМР, контроль и получение окончательной ЦМР;
преобразование в стандартный формат и передача ЦМР по ЛВС или на носителе потребителю.

Среднее время ориентирования космических стереопар снимков - не более 2 часов. Среднее время получения ЦМР на номенклатурный лист масштаба 1:25000 - не более 8 часов и прямо зависит от скорости процессора ЭВМ и квалификации оператора.

Принтер ПЭВМ необходим для вывода результатов работы операторов на ПЭВМ (ведение журнала).

Процессы ориентирования снимков, автоматическое получение ЦМР и ее доработка выполняются с помощью стереоскопического видеоконтрольного устройства (СВКУ), которое обеспечивает оператору:
визуализацию стереоскопического изображения на специальном цветном мониторе с частотой 55 кадров/с;
наложение на изображение ЦМР графики в виде горизонталей и точек ЦМР зеленого цвета для контроля и корректировки (при необходимости) их положения на изображении;
трехмерное перемещение снимков на экране в интерактивном режиме с помощью джойстиков и в автоматическом режиме;
наведение оператором марки на выбранную точку изображения с точностью до 1/4 пиксела (данная функция отсутствует в аналогах);
диалог оператора с программой с помощью специального пульта оператора. Его наличие обеспечивает более быструю реакцию ПЭВМ на действия оператора, чем использование стандартной клавиатуры ПЭВМ.

Наличие СВКУ является характерной особенностью ФРМ, а поэтому опишем его состав и назначение отдельных блоков более подробно.

СВКУ (см. фиг. 2) состоит из контроллера СВКУ 8, монитора цветного 9, приэкранного поляризационного фильтра (ППФ) 10, джойстика координат (ДЖК) 11, пульта оператора (ПО) 12 и джойстика параллаксов 13.

Джойстик (11, 13 на фиг.1) это устройство, которое выдает импульсы при отклонении его ручки влево, вправо, вверх и вниз. Импульсы взводят соответствующие триггеры в регистре джойстиков контроллера 8, который в свою очередь регулярно опрашивается программой ПЭВМ. Угол наклона ручки задает частоту импульсов.

Результат опроса фиксируется в ПЭВМ, а регистр джойстиков сбрасывается после завершения команды "Опрос джойстиков".

Пульт оператора (12 на фиг. 1) - это устройство оперативного взаимодействия оператора с программой. Он содержит:
8 функциональных клавиш К1-К8, назначение которых определяется программой;
клавишу включения-отключения графики;
клавишу включения режима "Мигание марки";
клавишу "Частота графики", которая изменяет частоту перебора номеров точек траекторий графики счетчиком 27 в контроллере при исполнении программы контроля полученной ЦМР путем наложения горизонталей на изображение. Счетчик обеспечивает плавное перемещение горизонталей по поверхности, что позволяет оператору определить дефектные участки ЦМР и затем исправить их.

Приэкранный поляризационный фильтр 10 совместно с пассивными поляризационными очками обеспечивает возможность создания стереоизображения путем визуализации левого кадра в левом глазу оператора, а правого - в правом глазу оператора. Практически поляризация кристаллов фильтра изменяется на 90^o при прохождении правого кадра и возвращается в исходное состояние при прохождении левого кадра.

Соответственно этому ориентирована и поляризационная пленка в очках оператора. Поэтому левый кадр он видит только левым глазом, а правый - правым. При высокой частоте смены кадров в глазу оператора возникает стереоизображение.

Управление поляризацией кристаллов в ППФ 10 осуществляется из узла 31 контроллера с помощью сигнала "Левый кадр".

Основными элементами контроллера являются ОЗУ изображения 22 и ОЗУ графики 24, каждое из которых в свою очередь состоит из ОЗУ левого и ОЗУ правого кадров. ОЗУИ и ОЗУГ работают синхронно, их содержимое непрерывно считывается и фиксируется на выходных регистрах 20 и 21. В связи с тем, что чтение из ОЗУИ и выдачу его на ЦАП и монитор с частотой 80 МГц весьма затруднительно, в контроллере реализовано параллельное считывание 8 байтов (8 точек строки), быстрый побайтный сдвиг на схеме 18, преобразование цифрового значения пиксела в аналоговый в схеме 15 и передачу аналогового сигнала через высокочастотные видеоусилители в блоке 14 на входы "видео" монитора.

Одновременно с этим процессом 8 байтов ОЗУГ 24, в которых закодированы номера (от 1 до 32) траекторий, графики и их смещение (2 разряда на 1/4 пиксела, отсутствует в аналогах), подаются на вход схемы 19, на другой вход которой подаются заранее закодированные номера траекторий с регистров 25, 26 и счетчика 27. Результат сравнения номеров РгОЗУГ 21 и регистров 25, 26 и счетчика 27 управляет дешифраторами смещения точек графики 19 и фиксируется на восьмиразрядном регистре сдвига 16.

В схеме 14 выходы восьми разрядов сдвигателя 16 собираются схемой ИЛИ и через усилитель в блоке 14 подаются в монитор на "зеленый" вход "видео".

Таким образом, на каждую точку изображения будет наложена зеленая точка графики с соответствующим смещением, кратным 1/4 пиксела. После сдвига 8 байтов из ОЗУ выбираются очередные 8 байтов и так до тех пор, пока не выберется вся строка. Адрес ОЗУ формируется в блоке сопряжения с ЭВМ 29, где имеются регистры начального адреса развертки и счетчик адреса. Занесение информации в ОЗУ организуется построчно (1024 байта) или побайтно через шину данных (ШД). Для тестирования ОЗУ они связаны через схему ИЛИ 23 с ПЭВМ.

Для наведения на поверхность изображения и измерения координат и высот точек служит марка. Марка выполнена в виде голубой точки в центре экрана и формируется в узле 17. В узле 17, кроме схемы сравнения адреса, имеется схема сдвига марки на 1/4 пиксела для более точного ее наведения на измеряемую точку изображения. Смещением марки управляют 2 младших разряда регистра начального адреса развертки по строке. Из блока 14 в монитор выдаются также стандартные сигналы горизонтальной (Н) и вертикальной (V) разверток монитора.

Управление СВКУ 8 от ПЭВМ 1 осуществляется через адаптер 32. Адаптер устанавливается в ПЭВМ 1 в разъем ISA и реализует усеченный вариант стандартной шины SCSI.

Промышленная применимость
Фотограмметрическое рабочее место промышленно реализуемо, обладает более высокой точностью, лучшими стоимостными характеристиками.

Изобретение относится к области вычислительной техники, а именно к устройствам для получения изображений, специально предназначенных для фотограмметрии. Фотограмметрическое рабочее место содержит персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ), стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ), контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства. Базовая конфигурация ПЭВМ состоит из системного блока с подключенными к нему монитором, клавиатурой, манипулятором графической информации типа "мышь" и принтером. СВКУ включает цветной монитор, приэкранный поляризационный фильтр, джойстик координат, джойстик параллаксов и пульт оператора. Первый выход контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства соединен с входом цветного монитора, второй выход - с входом приэкранного поляризационного фильтра. Три входа контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства соединены соответственно с выходами джойстика координат, джойстика параллаксов и пульта оператора. Вход-выход контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства соединен с выходом-входом локальной вычислительной сети системного блока ПЭВМ. Технический результат состоит в повышении точности при обработке космических и аэрофотоснимков для получения цифровых моделей рельефа и уменьшении стоимостных характеристик устройства. 1 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Фотограмметрическое рабочее место (ФРМ), содержащее персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ) в базовой конфигурации, состоящую из системного блока с подключенными к нему монитором, клавиатурой, манипулятором графической информации типа “мышь” и принтером, стереоскопическое видеоконтрольное устройство (СВКУ), состоящее из цветного монитора, приэкранного поляризационного фильтра (ППФ), джойстика координат (ДЖК), джойстика параллаксов (ДЖП) и пульта оператора (ПО), отличающееся тем, что оно дополнительно содержит контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства, первый выход которого соединен с входом цветного монитора, второй выход с входом приэкранного поляризационного фильтра, три входа контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства соединены соответственно с выходами джойстика координат, джойстика параллаксов и пульта оператора, а вход-выход контроллера стереоскопического видеоконтрольного устройства с выходом-входом локальной вычислительной сети (ЛВС) системного блока ПЭВМ.2. Фотограмметрическое рабочее место (ФРМ) по п.1, отличающееся тем, что контроллер стереоскопического видеоконтрольного устройства содержит блок сопряжения с ЭВМ, первый вход-выход которого соединен по шине SCSI с выходом-входом адаптера системного блока ПЭВМ, второй вход-выход с внутренней шиной ШД контроллера, первый (Адрес ЛвК) и второй (Адрес ПрК) выходы блока сопряжения с ЭВМ соединены с внутренней шиной АДР контроллера, а первый и второй входы блока сопряжения с ЭВМ соответственно с цепями синхронизации ЛвК и ПрК, регистр пульта оператора (РгПО), вход которого соединен с выходом пульта оператора, а выход с внутренней шиной данных ШД контроллера, регистр джойстиков, два входа которого соединены соответственно с выходом джойстика координат (ДЖК) и джойстика параллаксов (ДЖП), а выход с внутренней шиной данных ШД контроллера, узел управления приэкранного поляризационного фильтра ППФ, выход которого соединен с входом приэкранного поляризационного фильтра, а вход с цепью синхронизации ЛвК, оперативное запоминающее устройство изображения (ОЗУИ), четыре входа которого ЛвК и ПрК соединены попарно соответственно с внутренней шиной адреса (АДР) и шиной данных ШД, логическую схему ИЛИ, выход которой соединен с внутренней шиной данных ШД, оперативное запоминающее устройство графики (ОЗУГ), четыре входа которого ЛвК, ПрК попарно соединены соответственно с внутренними шиной адреса (АДР) и шиной данных ШД, первый регистр номеров траекторий (PHTp1), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), второй регистр номеров траекторий (РНТр2), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), счетчик номеров траекторий (СчНТр), вход которого соединен с внутренней шиной данных (ШД), регистр оперативного запоминающего устройства изображений (РгОЗУИ), вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства изображений (ОЗУИ), а выход с первым входом логической схемы ИЛИ, регистр оперативного запоминающего устройства графики (РгОЗУГ), вход которого соединен с выходом оперативного запоминающего устройства графики (ОЗУГ), а выход со вторым входом логической схемы ИЛИ, узел формирования марки, вход которого соединен с внутренней шиной адреса (АДР), схему сдвига изображения, вход которой соединен с выходом регистра оперативного запоминающего устройства изображения (РгОЗУИ), дешифратор номеров точек графики, четыре входа которого соединены соответственно с выходом регистра оперативного запоминающего устройства графики (РгОЗУГ), первого регистра номеров траекторий (PHTp1), второго регистра номеров траекторий (РНТр2) и счетчика номеров траекторий (СчНТр), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), вход которого соединен с выходом схемы сдвига изображений, схему сдвига графики, вход которой соединен с выходом дешифратора номеров точек графики, блок сопряжения с монитором, три входа которого соединены соответственно с выходом узла формирования марки, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) и схемы сдвига графики, а три выхода (Видео, Н и V) с соответствующими входами цветного монитора.