СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОЕКЦИОННЫХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТА И ПОЛУЧЕНИЯ ЕГО ТРЕХМЕРНОЙ МОДЕЛИ Российский патент 2007 года по МПК G01B11/25 

Изобретение относится к области метрологии, в частности к системам для измерения проекционных размеров объектов на расстоянии и получения их трехмерных моделей, и может быть использовано для контроля качества готовой продукции, проведения антропометрических измерений в легкой промышленности, медицине, криминалистике, в компьютерных идентификационных поисковых системах, при проведении массовых метрических исследований, а также для получения трехмерных моделей.

Известен способ бесконтактного определения размеров объекта с помощью фотограмметрии [1]. Для определения размеров объекта с помощью фотограмметрии на негативе получают плоскостное отображение предмета, в котором пространственные изображения точек поверхности оказываются совмещенными в одной плоскости.

Дальнейший анализ размерных признаков объекта производится по изображению объекта на фотографии, учитывая масштаб изображения и погрешности оптических приборов.

Недостатком метода является значительное влияние на точность проводимых измерений качества применяемой оптической техники.

Известен способ стереофотограмметрии [1], который содержит два главных этапа: получение информации с помощью фотограмметрической съемки и обработку полученной информации. Для определения координат фигуры в пространстве съемку объекта осуществляют с разных позиций двумя или несколькими стереофотограмметрическими камерами. Используя геометрические свойства фотоснимков по плоским прямоугольным координатам точек фотоснимков, определяют пространственные координаты этих точек на фотографируемом объекте и, следовательно, его размеры, форму и взаимное расположение точек и элементов.

Недостатком метода является значительное влияние на точность проводимых измерений качества применяемой оптической техники и необходимость использования специального установочного стенда.

Известен способ бесконтактного измерения внешней формы тела человека [2], который включает получение информации об объекте с помощью фотосъемки, затем обработку информации путем получения фотографических образов фигуры человека и использования коэффициентов масштабирования. Фотографирование фигуры осуществляют в четырех положениях: спереди, сбоку справа, сбоку слева и сзади. Далее осуществляют компьютерную визуализацию фотографической информации в графическом редакторе, где получают плоскостные изображения различных проекций фигуры человека в виде фотографических образов, по которым, учитывая коэффициент масштабирования, с использованием антропометрических точек снимают продольные и поперечные проекционные измерения. При этом дуговые и обхватные размерные признаки внешней формы тела человека измеряют по периметру геометрической фигуры, образованной совокупностью прямолинейных и дуговых участков, длину которых рассчитывают с помощью проекционных измерений, снимаемых с фотографических образов фигуры человека на уровне измерения размерного признака.

Недостатком, в случае использования цифровых камер, является то, что сохраняется необходимость учета оптических свойств камеры, соблюдения специальных требований к базису фотографирования и использования коэффициента масштабирования при определении размерных признаков объекта, что приводит к снижению точности получаемых измерений.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения размеров объекта и координат любой его точки за счет корректировки искажений размеров объекта, вносимых считывающим устройством, а также упрощение получения трехмерной модели объекта.

Указанная задача решена за счет того, что в способе бесконтактного определения проекционных размеров объекта, включающем получение информации об объекте с помощью считывающего устройства, обработку информации и определение проекционных размеров объекта,

создают поверхность, содержащую метки и информацию об эталонных метрических координатах каждой метки,

фиксируют эталонную информацию о поверхности, содержащей метки, в виде эталонной матрицы поверхности, состоящей из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных координатах каждой метки,

устанавливают поверхность, содержащую метки, перпендикулярно или под углом, близким к прямому, к оптической оси считывающего устройства, используемого для получения информации об объекте, так, чтобы указанная поверхность, или ее часть, находилась в зоне охвата считывающего устройства,

считывают с помощью считывающего устройства информацию об указанной поверхности и

получают фактическую матрицу поверхности, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию о фактических координатах каждой метки,

получают универсальную матрицу поверхности, содержащей метки, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах каждой метки,

располагают объект за, перед или на месте расположения поверхности, содержащей метки, в зоне охвата считывающего устройства так, чтобы положение считывающего устройства относительно указанной поверхности не изменилось,

после получения фактической информации об объекте с помощью считывающего устройства ее накладывают на универсальную матрицу поверхности и получают фактическую матрицу объекта, состоящую из информационных ячеек универсальной матрицы поверхности, покрытых изображением объекта,

и по информации об эталонных координатах каждой метки, содержащейся в универсальной матрице поверхности, определяют проекционные размеры объекта.

Указанная задача также решена за счет того, что дополнительно получают эталонную матрицу объекта путем сведения величин координат фактической матрицы объекта к величинам эталонных метрических координат каждой метки поверхности, получают визуализированное изображение объекта, получают несколько визуализированных изображений объекта, полученных с разных направлений, и получают трехмерную модель объекта путем совмещения и наложения соответствующих ячеек полученных визуализированных изображений объекта.

Исследование внешней формы объекта в заявляемом способе осуществляют с помощью следующих действий:

создают поверхность, содержащую метки и информацию об эталонных метрических координатах каждой метки,

фиксируют эталонную информацию о поверхности, содержащей метки, в виде эталонной матрицы поверхности, состоящей из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных координатах каждой метки,

устанавливают поверхность, содержащую метки, перпендикулярно или под углом, близким к прямому, к оптической оси считывающего устройства, используемого для получения информации об объекте, так, чтобы указанная поверхность, или ее часть, находилась в зоне охвата считывающего устройства,

считывают с помощью считывающего устройства информацию об указанной поверхности и

получают фактическую матрицу поверхности, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию о фактических координатах каждой метки,

получают универсальную матрицу поверхности, содержащей метки, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах каждой метки,

располагают объект за, перед или на месте расположения поверхности, содержащей метки, в зоне охвата считывающего устройства так, чтобы положение считывающего устройства относительно указанной поверхности не изменилось,

после получения фактической информации об объекте с помощью считывающего устройства ее накладывают на универсальную матрицу поверхности и получают фактическую матрицу объекта, состоящую из информационных ячеек универсальной матрицы поверхности, покрытых изображением объекта,

и по информации об эталонных координатах каждой метки, содержащейся в универсальной матрице поверхности, определяют проекционные размеры объекта.

Суть способа заключается в следующем

На специальную поверхность наносят строго определенное количество метрической информации, в виде меток, представляющих собой некие объекты, распознаваемые на данной поверхности считывающим устройством.

Получают эталонную матрицу специальной поверхности, которая представляет собой заданную математической функцией или выполненную высокоточным считывающим устройством математическую модель специальной поверхности, состоящую из информационных ячеек, несущих информацию об эталонных координатах каждой метки специальной поверхности.

С помощью считывающего устройства считывают информацию о специальной поверхности и переносят ее в базу данных ЭВМ, таким образом получают фактическую матрицу специальной поверхности, которая представляет собой математическую модель поверхности, состоящую из информационных ячеек, и содержит в себе фактические координаты каждой метки специальной поверхности, со всеми искажениями и погрешностями используемого оборудования.

Отождествляют эталонную и фактическую матрицу специальной поверхности между собой, при этом получают универсальную матрицу специальной поверхности - мурус, от лат. стена, которая представляет собой математическую модель поверхности, состоящую из информационных ячеек, несущих в себе одновременно парную информацию - информацию об эталонных и фактических координатах каждой метки специальной поверхности. Информация о фактических координатах каждой метки специальной поверхности отражает искажения и погрешности используемого считывающего устройства. Все действия над информацией об объекте и получение размерной информации о внешней форме объекта с помощью муруса назовем мурусометрией.

Для определения проекционных размеров объекта получают фактическую матрицу объекта, путем наложения фактической информации об объекте, полученной с помощью считывающего устройства, на фактическую информацию муруса.

Таким образом фактическая матрица объекта представляет собой математическую модель объекта, состоящую из информационных ячеек муруса, покрытых изображением объекта.

Так как каждая ячейка муруса несет в себе и эталонную метрическую информацию, то программным путем определяют любые проекционные размеры и координаты любой точки проекции исследуемого объекта.

Для построения трехмерной модели объекта получают эталонную матрицу объекта, путем сведения величин координат фактической матрицы объекта к величинам эталонных метрических координат каждой метки специальной поверхности.

Плоское эталонное визуализированное изображение объекта получают с помощью программных средств ЭВМ путем визуализации эталонной матрицы объекта. При этом автоматически происходит корректировка оптической оси съемки.

Стереоизображение объекта получают путем совмещения координат каждой ячейки двух или более плоских визуализированных изображений, полученных с одного направления, несколькими считывающими устройствами одновременно или одним поочередно.

Трехмерную модель объекта получают путем совмещения и наложения соответствующих ячеек нескольких эталонных визуализированных изображений объекта, полученных с разных направлений.

Дальнейшая обработка визуализированных изображений происходит с помощью графического редактора ЭВМ.

Способ реализуют следующим образом.

На специальную поверхность наносят строго определенное количество метрической информации, в виде меток, представляющих собой некие объекты, распознаваемые на данной специальной поверхности.

В качестве метки может использоваться точка, геометрическая фигура заданной формы и/или цвета, линия штрихкода, элемент магнитной или оптической записи и т.д., или несколько точек, геометрических фигур, линий штрихкода и т.д. и их всевозможные сочетания между собой. В случае необходимости устанавливают дополнительную метку идентификации координат начала отсчета.

Основными условиями формирования меток являются:

1) выполнение ее в формате, воспринимаемом ЭВМ и доступном считывающему устройству,

2) каждая метка должна нести в себе метрическую информацию (иметь вычисляемые координаты).

Специальная поверхность для нанесения на нее меток может представлять собой лист бумаги, пластика, металла, стекла, магнитную ленту, кристаллическую решетку и т.д.

Фиксируют эталонную информацию о специальной поверхности, описывая ее математически в базе данных ЭВМ, либо, в случае невозможности ее описания математически, информация считывается со специальной поверхности посредством высокоточных считывающих устройств. Зафиксированная информация является эталонной матрицей специальной поверхности и служит для отождествления информации о специальной поверхности и объекте, полученной с помощью считывающего устройства, и определения проекционных размеров объекта. Эталонная матрица специальной поверхности состоит из информационных ячеек, количество которых соответствует количеству меток на специальной поверхности.

Устанавливают специальную поверхность перпендикулярно или под углом, близким к прямому к оптической оси считывающего устройства, так, чтобы специальная поверхность, или ее часть, находилась в зоне охвата считывающего устройства, считывающее устройство устанавливают стационарно относительно специальной поверхности. В качестве считывающего устройства могут быть использованы фотоаппарат, цифровая фото- или видеокамера, сканер штрихкодов, проекционный сканер и т.д.

Считывают информацию о специальной поверхности с помощью считывающего устройства, переносят ее в базу данных ЭВМ и обрабатывают. Таким образом, получают фактическую матрицу специальной поверхности, представляющую собой математическую модель поверхности, имеющую размеры в пространстве, совпадающую размерами со специальной поверхностью.

Отождествляют введенную программным путем эталонную матрицу специальной поверхности с фактической матрицей специальной поверхности, полученной с помощью считывающего устройства. При этом получают универсальную матрицу специальной поверхности - мурус, в которой каждая информационная ячейка несет в себе одновременно парную информацию. Парная информация каждой ячейки состоит из фактической, полученной с помощью считывающего устройства, и эталонной метрической информации о каждой метке специальной поверхности.

Таким образом, для проведения измерений и корректировки информации, получают - универсальную матрицу специальной поверхности - мурус, имеющую реальные размеры, совпадающие размерами и положением в пространстве со специальной поверхностью. После получения муруса, специальную поверхность можно удалить из зоны охвата считывающего устройства. При этом в дальнейших исследованиях учитывают расположение специальной поверхности в пространстве и ее размеры, то есть используют виртуальную поверхность.

Исследуемый объект располагают за, перед или на месте расположения специальной поверхности на одной оптической оси со считывающим устройством, так чтобы специальная поверхность, реальная или виртуальная, и объект исследования находились в зоне охвата считывающего устройства, при этом положение считывающего устройства относительно специальной поверхности не изменяется. В случае, когда объект исследования устанавливают непосредственно на месте расположения специальной поверхности, при определении проекционных размеров объекта не требуется использование коэффициентов корректировки.

Размеры специальной поверхности должны превышать размеры исследуемого объекта в зоне охвата считывающего устройства, на величину, превышающую или равную минимальному расстоянию между метками.

С помощью считывающего устройства получают фактическую информацию об объекте, которую накладывают на фактическую информацию муруса, получают фактическую матрицу объекта, как множество информационных ячеек муруса, покрытое изображением объекта.

Благодаря тому, что каждая ячейка муруса содержит еще и эталонную метрическую информацию, определяют любые проекционные размеры и координаты любой точки проекции исследуемого объекта.

Способ определения проекционных размеров объекта может применяться как с визуализацией объекта, так и без нее. Визуализация объекта может осуществляться как с корректировкой изображения объекта или оптических искажений считывающего устройства, так и без него.

В случаях, когда необходимо визуализировать плоское изображение объекта, с целью получения стерео- или трехмерной модели, а также для решения других задач, напрямую не связанных с получением его метрических характеристик, визуализация объекта происходит наложением, совмещением, сопоставлением, отождествлением, сведением вышеперечисленных матриц между собой, программными средствами ЭВМ.

При проведении исследования объекта с целью получения его стерео- и трехмерной модели взаимное расположение объекта, считывающего устройства и специальной поверхности для нестатичных объектов, например фигуры человека, может быть следующим:

1. Два или более считывающих устройства устанавливают стационарно относительно исследуемого объекта и специальной поверхности. Работа считывающих устройств должна быть синхронизирована.

2. Одно или более считывающих устройства, объект и специальную поверхность устанавливают стационарно между стационарной системой зеркал. Таким образом, на каждой фактической матрице объекта, полученной с помощью считывающего устройства, содержится одновременно информация об объекте и его отражениях в зеркалах.

3. Для исследования статичных объектов применимы следующие варианты взаимного расположения специальной поверхности, считывающего устройства и исследуемого объекта:

а) объект может перемещаться или вращаться относительно системы «специальная поверхность - считывающее устройство», с заранее заданными и учтенными параметрами перемещения или вращения.

б) система «специальная поверхность - считывающее устройство» может перемещаться или вращаться относительно объекта, с заранее заданными и учтенными параметрами перемещения или вращения. Для исследования объекта может применяться любое сочетание вышеописанных вариантов.

Пример применения мурусометрии в легкой промышленности.

Способ бесконтактного определения проекционных размеров объекта и получение его трехмерной модели может быть применен для исследования внешней формы тела человека, манекена, обувной колодки и т.д.

Устанавливают считывающее устройство, например цифровой фотоаппарат, стационарно относительно специальной поверхности, например миллиметровой бумаги, с нанесенными на нее метками начала отсчета. Условно каждую клетку миллиметровой бумаги или пересечение линий на ней принимают за метку. Оптическая ось фотоаппарата должна находиться приблизительно в середине специальной поверхности под углом, близким к прямому.

Программным путем в базе данных ЭВМ создают эталонную матрицу специальной поверхности.

Фотографируют специальную поверхность и вводят фактическую информацию о ней в базу данных ЭВМ - получают фактическую матрицу специальной поверхности. Разрешающая способность фотоаппарата должна быть достаточной для считывания каждой клетки миллиметровой бумаги. В случае использования фотоаппарата с фотопленкой, информацию в ЭВМ переносят с помощью сканера.

Отождествляют каждую метку снимка специальной поверхности с эталонной матрицей специальной поверхности - получают мурус.

Не меняя положение фотоаппарата, удаляют специальную поверхность, устанавливают на ее месте объект, например человека, манекен, обувную колодку и т.д., размеры которого не превышают размеры находившейся на этом месте специальной поверхности. Для получения нескольких фотоснимков в разных проекциях, объект может быть расположен на поворотной платформе, с фиксированными углами поворота. Для повышения точности ось вращения поворотной платформы должна находиться на месте расположения специальной поверхности.

Фотографируют объект исследования и переносят информацию в базу данных ЭВМ.

Накладывают изображение объекта на фактическую информацию муруса.

Получают фактическую матрицу объекта, как множество информационных ячеек муруса, покрытое изображением объекта.

Так как каждая ячейка муруса содержит парную информацию, программным путем получают любые проекционные размеры объекта.

Для построения трехмерной модели объекта получают эталонную матрицу объекта.

С помощью программных средств ЭВМ осуществляют визуализацию эталонной матрицы объекта - получают плоское эталонное визуализированное изображение объекта. Построение трехмерной модели объекта производят путем совмещения и наложения соответствующих ячеек нескольких эталонных визуализированных изображений объекта, полученных при съемке объекта в различных проекциях, положениях.

В случаях, когда необходимо исследовать размеры и форму фрагмента объекта, удобнее применять поверхность, каждая ячейка которой автономна, например выполнена сочетанием нескольких цветов и оттенков. При этом каждая метка поверхности и/или их сочетание между собой содержит автономную метрическую информацию. В этом случае нет необходимости установки дополнительных меток начала отсчета.

В случаях, когда необходимо снять только проекционные размеры сечения объекта, рациональнее использовать специальную поверхность, установленную в плоскости сечения и представляющую собой координатную линейку, выполненную сочетанием линий штрихкода, а исследование объекта производить одним или несколькими лазерными сканерами штрихкодов. Этот же способ применим для контроля качества длинномерных конструкций и объектов, например контроля длины труб, рельс, швеллеров и т.д. в тяжелой промышленности.

Пример применения мурусометрии для микроскопических исследований.

Специальную поверхность изготавливают по технологии, применяемой при изготовлении микропроцессоров ЭВМ. По этой технологии величина каждой метки поверхности может быть 90 нм и выше. Учитывая то, что длина световой волны видимой части спектра больше 90 нм, применение способа ограничено лишь разрешающей способностью считывающего устройства. В зависимости от величины исследуемого объекта, например швейной иглы, и требуемой точности, на специальную поверхность наносят определенное количество меток. Исследование внешней формы объекта производят считывающим устройством, снабженным увеличителем изображения, например фотоаппаратом с микроскопом. Последовательность действий для определения размеров и формы внешней формы объекта описана в примере для легкой промышленности.

Пример применения мурусометрии в идентификационных системах.

Для создания базы данных и в месте проведения идентификации объекта необходимо использовать одну и ту же специальную поверхность. Она может быть стандартной, например изготовленной из миллиметровой бумаги или сетки-канвы.

Для создания базы данных устанавливают специальную поверхность в зоне охвата фотоаппарата. Создают мурус, последовательность действий для создания муруса описана выше. На место расположения специальной поверхности устанавливают объект, например человека, не изменяя положения фотоаппарата, фотографируют лицо человека, в одной или нескольких проекциях. С помощью муруса создают эталонные матрицы изображения человека и фиксируют их на магнитном носителе в документе, удостоверяющем личность, либо в идентификационной базе данных.

В месте проведения идентификации, например в зоне прохождения спецконтроля в аэропорту, для конкретного считывающего устройства, например видеокамеры и специальной поверхности, также создают мурус, убирают специальную поверхность из зоны охвата видеокамеры.

При попадании человека в зону охвата видеокамеры, при прохождении зоны спецконтроля, программа-идентификатор выполняет действия, перечисленные в заявляемом способе, и получает множество эталонных матриц изображений лица человека.

Сравнивает информацию, нанесенную на магнитную полосу документа, удостоверяющего личность, с полученной информацией и проводит идентификацию личности. Этот же способ можно применять для идентификации разыскиваемых преступников при наличии базы данных, выполненной описанным способом. Наибольшая точность при проведении идентификации объекта достигается в случае, когда перемещение объекта в пространстве ограничено, например в зоне спецконтроля аэропортов и вокзалов, турникеты метро, вход в дверные проемы и т.д.

Используя способ изготовления поверхности и считывающее устройство, описанные для микроскопических измерений в сочетании с последовательностью действий, описанных в примере для идентификационных систем, возможно применение заявляемого способа для идентификации объектов небольшой величины, например отпечатков пальцев, ювелирных изделий и т.д.

Техническим результатом изобретения является высокая точность получения информации о размерных характеристиках и внешней форме объекта.

Список литературы

1. Дунаевская Т.Н., Коблякова Е.Б. и др. Размерная типология населения с основами анатомии и морфологии, Москва, 2001 г., стр.203-210.

2. Патент РФ №2211652 «Способ бесконтактного измерения внешней формы тела человека», Кривобородова Е.Ю., Покровская О.В.

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано для контроля качества готовой продукции, проведения антропометрических измерений в легкой промышленности, медицине, криминалистике, поисковых системах и т.п. Способ бесконтактного определения проекционных размеров объекта включает получение информации об объекте с помощью считывающего устройства и обработку информации. Особенность способа состоит в том, что создают поверхность, содержащую метки и информацию об эталонных метрических координатах каждой метки. Создают эталонную матрицу этой поверхности. Считывают с помощью считывающего устройства информацию об указанной поверхности и получают фактическую матрицу поверхности. Создают универсальную матрицу поверхности, содержащей метки, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах каждой метки. Информацию об объекте накладывают на универсальную матрицу поверхности и по информации об эталонных координатах каждой метки, содержащейся в универсальной матрице поверхности, определяют проекционные размеры объекта. Благодаря этому повышается точность определения проекционных размеров объекта. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ бесконтактного определения проекционных размеров объекта, включающий

получение информации об объекте с помощью считывающего устройства, обработку информации и определение проекционных размеров объекта, отличающийся тем, что создают поверхность, содержащую метки и информацию об эталонных метрических координатах каждой метки, фиксируют эталонную информацию о поверхности, содержащей метки, в виде эталонной матрицы поверхности, состоящей из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных координатах каждой метки,

устанавливают поверхность, содержащую метки, перпендикулярно или под углом, близким к прямому, к оптической оси считывающего устройства, используемого для получения информации об объекте, так, чтобы указанная поверхность или ее часть находилась в зоне охвата считывающего устройства, считывают с помощью считывающего устройства информацию об указанной поверхности и получают фактическую матрицу поверхности, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию о фактических координатах каждой метки,

получают универсальную матрицу поверхности, содержащей метки, состоящую из информационных ячеек, содержащих информацию об эталонных и фактических координатах каждой метки, располагают объект за, перед или на месте расположения поверхности, содержащей метки, в зоне охвата считывающего устройства так, чтобы положение считывающего устройства относительно указанной поверхности не изменилось,

после получения фактической информации об объекте с помощью считывающего устройства ее накладывают на универсальную матрицу поверхности и получают фактическую матрицу объекта, состоящую из информационных ячеек универсальной матрицы поверхности, покрытых изображением объекта,

и по информации об эталонных координатах каждой метки, содержащейся в универсальной матрице поверхности, определяют проекционные размеры объекта.