СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ И ЛИНЕЙНЫХ РАЗМЕРОВ ОБЪЕКТОВ ПО ИХ ТЕЛЕВИЗИОННЫМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ Российский патент 2010 года по МПК G01S11/00 

Настоящее изобретение относится к информационно-измерительному телевидению, использующему регистрацию излученного или отраженного лучистого (светового) потока от объектов в различных зонах оптического спектра при решении задач обнаружения, селекции, измерения параметров и анализа состояния объектов по их телевизионным (ТВ) изображениям. Способ предназначается для измерения дальности объектов и их линейных размеров на основе изображений, формируемых с помощью монокулярных черно-белых, цветных, спектрозональных или иных ТВ камер. Изобретение может быть использовано при реализации ТВ автоматов - дальномеров и найти применение в различных областях науки и техники, производственных процессах, в системах телевизионной автоматики, технического зрения, распознавания образов, робототехнике, при решении охранных и специальных задач дистанционного контроля параметров объектов.

Возникновение отрасли техники - ТВ автоматики, обусловлено непрерывно возрастающей тенденцией автоматизации процесса контроля, измерения и управления различными процессами. В настоящее время наблюдается резкое возрастание удельного веса таких систем и устройств, в связи с обновлением элементной базы в телевидении, миниатюризации и возможностью широкого использования методов и высокопроизводительных средств вычислительной техники. Главной особенностью прикладных систем телевидения при решении задач дальнометрии является возможность их отнесения к средствам пассивной локации по сравнению с известными активными системами локации, например, лазерными дальномерами и более энергоемкими, громоздкими радиолокационными системами. Неоспоримым достоинством ТВ методов и устройств является их скрытность, по сравнению с активными системами локации, мобильность, возможность проведения измерений без своего обнаружения на некооперируемых объектах, а также объектах, находящихся в движении, или в условиях, труднодоступных и опасных для человека.

Существует большое число разновидностей прикладных ТВ систем и устройств, решающих задачи по обнаружению и селекции объектов в наблюдаемом пространстве, осуществляющих измерения параметров объектов по их спектрально-энергетическим или пространственным признакам, мониторинга охраняемой зоны и др. Известны ТВ устройства, на которые возложены задачи, связанные с определением геометрических параметров объектов (высоты, длины, ширины, конфигурации, площади и т.д.), подсчета их числа, измерения дальности до объектов или скорости их движения, а также угловых координат и их производных, контроля изменения цвета объекта и т.д. на основе черно-белых, цветных или спектрозональных ТВ изображений (см. Полоник B.C. Телевизионные автоматические устройства. - М.: Связь, 1974, - 216 с. [1], Барсуков Ф.И., Величкин А.И. Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов / Под ред. А.И.Величкина. - М.: Сов. Радио. 1979, - 256 с. [2], Горелик С.Л., Кац Б.М., Киврин В.Н. Телевизионные измерительные системы. - М.: Связь, 1980, - 168 с. [3], Зубарев Ю.Б., Сагдуллаев Ю.С. Спектральная селекция оптических изображений Ташкент. Фан, 1987, 108 с. [4], Системы технического зрения: Справочник / В.И.Сырямкин, B.C.Титов, Ю.Г.Якушенков и др.; Под общей редакцией В.И.Сырямкина, B.C.Титова. Томск: МГП "РАСКО", 1993. 367 с.[5], Распознавание оптических изображений / Под общей ред. Ю.С.Сагдуллаева, B.C.Титова. - Ташкент: ТЭИС, 2000, - 315 с. [6], Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты. Учеб. пособие. - СПб., Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2001, - 135 с. [7] и др.

Известны способы и устройства для измерения дальности объектов. Так, например, способ, основанный на сравнении затухания лучистости в различных спектральных зонах, за счет поглощающего действия дистанционной среды. Для использования данного способа надо знать точные спектральные характеристики собственного теплового излучения объектов (Молебный В.В. Оптико-локационная система. Основы функционального построения. - М.: Машиностроение, 1981, - 181 с. [8]). Данный способ обладает большой погрешностью измерений и имеет ограниченное применение, поскольку собственное тепловое излучение объектов и состояние дистанционной среды подвержены временным вариациям, которые практически трудно учесть.

Известны способы и системы стереотелевидения, которые можно использовать для измерения дальности объектов (Шмаков П.В. Стереотелевидение. - М.: Связь, 1968, - 298 с. [9]). Стереотелевизионная камера включает два ТВ датчика, которые разнесены между собой на некоторое базисное расстояние В₀. Применение такой камеры увеличивает энергопотребление, габаритно-весовые показатели системы, что особенно проявляется в случае увеличения базисного расстояния между отдельными датчиками. Это в ряде случаев ограничивает и затрудняет их практическое использование, когда минимальные весовые и габаритные показатели системы очень важны и выходят на первое место.

Заслуживает внимания принцип ТВ контроля дальности, предназначенный для предупреждения столкновений или автоматического обнаружения объектов на заданной дальности в поле зрения охранной системы (Усовершенствованный дальномер. Пат. 1605013, Великобритания. Заявл. 14.03.75 №10842/75, опубл. 16.12.81. МКИ G01S 11/00 [10]). Данный ТВ дальномер использует принцип и свойства расфокусированного изображения, когда объектив монокулярной ТВ камеры сфокусирован на определенное конечное расстояние, а видеосигнал с выхода ТВ камеры пропускают через один или несколько полосовых фильтров и формируемые сигналы поступают на пороговые устройства. Они срабатывают при превышении сигналов некоторого порогового уровня. Преимущества данного принципа измерения дальности заключаются в том, что априорные сведения о параметрах объектов практически не нужны. Вместе с тем, следует отметить, что точность измерения произвольной (не фиксированной) дальности объектов сравнительно низка и требует увеличения числа полосовых фильтров, повышения помехоустойчивости и точности преобразования сигналов.

Известны и другие пути реализации дальномеров с использованием ТВ средств. Так, например (Кравец В.Г., Любинский В.Е. Основы управления космическими полетами. - М.: Машиностроение, 1983, - 224 с. [11]), видеоинформация, формируемая внешними ТВ камерами космических аппаратов (КА), может быть использована как для наблюдения космонавтами изображений КА, так и для определения относительной дальности КА в процессах их сближения и стыковки. То есть, в данном случае, на одну ТВ камеру возлагается выполнение двух функций - информационной и измерительной. Для этого на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ) наносится соответствующая координатная сетка (электрическим или механическим путем). При контроле дальности КА с использованием координатной сетки исходят из того, что в зависимости от искомой дальности изображение КА на экране ВКУ будет занимать определенное число клеток координатной сетки. Зная характерные линейные размеры КА (например, его диаметр), а также фокусное расстояние объектива ТВ камеры, можно предварительно по известным формулам рассчитать и представить в виде графика или табличных данных значение искомой дальности от числа клеток координатной сетки. Являясь самым простым способом ТВ измерений относительной дальности объектов, он не обладает высокой точностью, требует непосредственного участия оператора и не позволяет автоматизировать процесс отображения измеряемых параметров на экране ВКУ совместно с изображением объекта (например, с изображением сближающегося КА).

В работе (Сагдуллаев Ю.С., Шелепов Н.Ю., Гизатулин Р.З. Определение дальности объектов по их телевизионному изображению // Радиотехнические и оптические системы связи: Сб. науч. тр. учеб. ин-тов связи / ЛЭИС. - Л., 1988, с.121-125 [12]) показан принцип измерения дальности объектов на основе их ТВ изображений. Суть его сводится к следующему. Захват в пространстве по объекту наблюдения зависит от угла поля зрения ТВ камеры и относительной дальности ρ до него, фокусного расстояния объектива ТВ камеры F и других величин. Относительную дальность можно определить в соответствии с выражением

где L - линейный размер объекта в направлении строчной или кадровой развертки изображения, х - линейный размер оптической проекции изображения объекта на светочувствительной поверхности (фотомишени) ТВ датчика.

Линейный размер х оптической проекции изображения объекта на светочувствительной поверхности (фотомишени) ТВ датчика может быть представлен в виде

где X - общий рабочий размер светочувствительной поверхности (фотомишени) ТВ датчика; Δt_p - временной интервал развертки электронного луча для рабочей поверхности фотомишени; Δt - временной интервал развертки для изображения объекта.

Измерение величины Δt (длительности полезного сигнала в изображении) может производиться различными методами, например стробированием серией импульсов N с периодом следования Т₀. При этом

С учетом (2) и (3) выражение (1) принимает вид

Поскольку величины F, t_p, X, Т₀ априорно известны и в целом составляют некоторое постоянное число Q, в соответствии с выражением (4), измеряемое расстояние до объекта прямо пропорционально линейному размеру объекта L и обратно пропорционально числу стробирующих импульсов N. Формирование и преобразование временного интервала Δt в число импульсов N возможно как по кадру, так и в направлении строчной развертки (то есть, тогда принимается, что Δt=Δt_к или Δt=Δt_c). Используя соотношение

х/Х=Δz/Z,

где Δz - число строк (элементов), приходящихся на ТВ изображение наблюдаемого объекта; Z - число активных строк в кадре ТВ изображения, выражение (4) можно представить в виде

Анализ выражения (5) показывает, что при заданном значении числа строк (элементов) Z для данной ТВ камеры дальнейшее увеличение измеряемой дальности определяется возможностью применения в ТВ камере объектива с большим фокусным расстоянием, при этом погрешность измерения дальности будет максимальна на участке расстояний, когда изображение занимает несколько строк (элементов). Положительное приращение ошибки в измерении Δz вносит меньшую погрешность в измерение расстояния до объекта. Согласно выражению (4) и (5) для определения дальности объектов необходимо знать их линейные размеры. При априорной известности дальности объектов можно определить их линейные размеры в направлении строчной и кадровой развертки изображения. При неизвестных линейных размерах объектов использование данного способа для измерения дальности объектов по их ТВ изображениям становится невозможным.

В качестве наиболее близкого аналога заявляемого изобретения по совокупности признаков и операций над сигналами принят способ измерения дальности при неизвестных линейных размерах объектов, за счет перемещения (смещения) монокулярной ТВ камеры к объекту в радиальном, продольном или произвольном направлении на некоторое априорно известное расстояние Δρ (Сагдуллаев Ю.С., Абдуллаев Д.А., Смирнов А.И. Основы телевизионного контроля процесса сближения космических аппаратов. Изд-во ФАН АН РУз. Ташкент, 1997, 27-30 с. [13]). Данный способ определения расстояния (дальности) до объектов применим к широкому классу светоинформационных систем (оптических, фотографических, телевизионных и др.). Использование последовательного монокулярного технического зрения в ряде случаев предпочтительней одновременного бинокулярного, поскольку изменение базиса съемки изображений объектов во втором случае может быть более затруднительным или невозможным. Способ основан на последовательном формировании двух ТВ изображений, с помощью ТВ камеры, имеющей постоянное фокусное расстояние объектива F, с разных точек наблюдения, разнесенных между собой на априорно известное расстояние Δρ. Рассмотрим, для примера, случай, когда ТВ камера перемещается в радиальном направлении к объекту (приближается к нему по оптической оси) из точки А₁ в точку А₂ на известное расстояние Δρ (стр.30 источника аналога). Тогда для первой и второй точки формирования ТВ сигналов изображения объекта расстояние составит величину

и

где х₁ и х₂ - размеры оптических проекций объекта на светочувствительной поверхности (фотомишени) ТВ датчика при наблюдении объекта из точек А₁ и А₂ соответственно.

Принимая, для случая приближения ТВ камеры к объекту, что величина Δρ=ρ₁-ρ₂, тогда из выражений (6) находится значение

Поскольку величина Δρ априорно известна, из выражения (7) определяется искомый размер объекта в виде

.

Подставляя значение (8) в выражения (6) определяется дальность

или

Учитывая ранее приведенные соотношения (2) и (3), в выражении (8) и (9), значения х₁ и х₂ представляются через соответствующее число стробирующих импульсов N₁ и N₂ с периодом следования Т₀.

В другом случае, для примера, ТВ камера перемещается в произвольном направлении к объекту из точки A₁ в точку С₁, на известное расстояние Δρ, при этом угол между продольной линией относительно исходной оптической оси и линией смещения ТВ камеры будет составлять некоторый угол φ. Его значения могут находиться в интервале значений, где 0°<φ≤90°, и при φ=90°, когда sinφ=1, перемещение ТВ камеры будет происходить в радиальном направлении к объекту (вдоль оптической оси). При углах 0°<φ≤90° дальность до объекта для радиального и произвольного перемещения ТВ камеры находится в соответствии с выражением ρ₁=(Δρ·sinφ·х₂)/(х₂-x₁), а линейный размер объекта определяется согласно L=(Δρ·sinφ·х₁x₂)/F·(х₂-x₁).

Данный способ обеспечивает измерение дальности (с помощью одной монокулярной ТВ камеры) при неизвестных линейных размерах объектов, за счет последовательного формирования сигналов изображений и их последующей совместной обработки. Он также позволяет определять линейные размеры объектов при неизвестном расстоянии до них. Выражения (8) и (9) показывают, что для измерения объектов с меньшими линейными размерами необходимо увеличивать фокусное расстояние объектива. Вместе с тем, когда объект контроля находится на удаленном расстоянии от ТВ камеры или имеет малые размеры, возникает необходимость увеличения расстояния Δρ между двумя замерами сигналов для получения больших значений х₂ и х₁ и их различия между собой, с целью сохранения заданной точности измерения, что в ряде случаев практически нельзя реализовать (из-за ограничения пространства передвижения ТВ камеры для увеличения расстояния Δρ, временных ограничений или других факторов). Это не позволяет осуществлять измерение дальности и линейных размеров объектов с сохранением заданной точности измерений, при меньших значениях расстояния Δρ между двумя замерами сигналов ТВ изображения объекта, или при малых линейных размерах объектов, которые находятся на значительном расстоянии от ТВ камеры.

Технический результат - повышение точности измерения дальности и линейных размеров объектов при меньших значениях расстояния Δρ между двумя замерами длительности сигналов объектов в ТВ изображениях. Технический результат достигается за счет того, что в способе измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным (ТВ) изображениям, предусматривающем измерение дальности ρ при неизвестных линейных размерах объекта L в направлении кадровой или строчной развертки ТВ изображения, включающем операции формирования сигнала первого ТВ изображения объекта, находящегося на расстоянии ρ₁=(L·F)/x₁ от ТВ камеры, расположенной в точке A₁, путем регистрации в заданной спектральной зоне оптического спектра отраженного или излученного потока лучистости от объекта и его проекции с помощью объектива, имеющего фокусное расстояние F, на светочувствительную поверхность (фотомишень) ТВ датчика, с априорно известным рабочим размером X, при этом размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика характеризуется величиной х₁, которая равна x₁=X·Δt₁/Δt_p для первого ТВ изображения, где Δt_p - временной интервал развертки электронного луча для рабочей поверхности светочувствительной поверхности ТВ датчика в направлении кадровой или строчной развертки, характеризующейся числом активных строк (элементов), равных величине Z, а длительность сигнала объекта Δt₁ характеризуется в ТВ изображении величиной Δz - числом строк (элементов), приходящихся на изображение объекта, запоминания сигнала первого ТВ изображения объекта, выделения и формирования из него временного интервала, длительностью Δt₁ серией импульсов N₁ с периодом следования Т₀, при этом Δt₁=N₁·Т₀, запоминания полученного числа импульсов N₁, перемещения ТВ камеры из точки A₁ на известное расстояние Δρ к объекту, формирование сигнала второго ТВ изображения объекта, находящегося на расстоянии ρ₂=(L·F)/х₂ от ТВ камеры, при этом размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика характеризуется величиной х₂, которая равна х₂=X·Δt₂/Δt_p для второго ТВ изображения, запоминания сигнала второго ТВ изображения объекта, выделения и формирования из него временного интервала, приходящегося на длительность сигнала объекта Δt₂, стробирование длительности сигнала Δt₂ серией импульсов N₂ с периодом следования Т₀, при этом Δt₂=N₂·Т₀, запоминания полученного числа импульсов N₂, далее выполнения операций совместной обработки полученного числа импульсов N₁ и N₂, приходящихся на изображение объекта в двух точках - замерах сигналов, в направлении кадровой или строчной развертки изображения с учетом параметров ТВ камеры и вычисления дальности и линейного размера объекта, при этом при перемещении ТВ камеры к объекту из точки A₁ в другую точку на расстояние Δρ в радиальном или произвольном направлении дальность ρ₁ определяется в соответствии с выражением:

ρ₁=(Δρ·sinφ·x₂)/(x₂-x₁),

а линейный размер объекта - L определяется согласно:

L=(Δρ·sinφ·x₁ x₂)/F·(x₂-x₁),

где φ - угол между продольной линией относительно исходной оптической оси и линией смещения ТВ камеры, 0°<φ≤90°, согласно изобретению, после перемещения ТВ камеры из точки A₁ на расстояние Δρ в направлении к объекту контроля, вводится операция, связанная с увеличением фокусного расстояния F объектива ТВ камеры на величину, равную S, при этом дальность до объекта характеризуется величиной ρ₂=(L·S·F)/x₃, а размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика будет равен величине х₃, при этом х₃=X·Δt₃/Δt_p и х₃=х₂+Δx_j, где приращение размера оптической проекции Δx_j определяется выбираемой величиной S, то есть Δx_j=f(S), затем формируют и запоминают сигнал второго ТВ изображения объекта, выделяют из него сигнал длительностью, равной величине Δt₃, приходящейся на изображение объекта, где Δt₃=Δt₂+Δt_j, то есть Δt_j=f(S), далее производят стробирование временного интервала Δt₃ серией импульсов N₃ с периодом следования Т₀, при этом Δt₃=N₃·Т₀ и N₃=N₂+ΔN_j, где приращение числа импульсов ΔN_j зависит от выбираемой величины S, то есть ΔN_j=f(S), запоминают полученное число импульсов N₃, после чего выполняют операции совместной обработки сигналов с учетом ранее полученного числа импульсов N₁ для первого ТВ изображения и числа импульсов N₃, приходящихся на второе ТВ изображение объекта, полученного с фокусным расстоянием объектива, равным величине S·F, вычисляют дальность ρ₁ и линейные размеры объекта L согласно выражениям:

ρ₁=(Δρ·sinφ·х₃)/(х₃-S·x₁),

L=(Δρ·sinφ·x₁ x₃)/F·(x₃-S·x₁).

Возможно также то, что при перемещении ТВ камеры к объекту из точки А₁ в другую точку на расстояние Δρ в радиальном направлении (вдоль оптической оси) к объекту, то есть, когда φ=90° и sin 90°=1, дальность ρ₂ после перемещения ТВ камеры к объекту определяют согласно выражению:

ρ₂=(Δρ·x₁)/(x₃-S·x₁),

а при перемещении ТВ камеры на расстояние Δρ в радиальном или произвольном направлении к объекту фокусное расстояние объектива ТВ камеры увеличивают на величину S, которая удовлетворяет условию S>1, при этом для выбранного значения S·F и получаемого размера оптической проекции изображения объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика должно выполняться условие, что х₃<X или Δt₃<Δt_p или соответственно Δz<Z.

В частности, согласно изобретению процесс выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала Δt₁ и Δt₃ для объекта контроля в направлении кадровой или строчной развертки изображения, осуществляют автоматическим путем, например, на основе амплитудных или спектральных признаков сигнала изображения объекта (цвета объекта) или иных признаков путем выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала изображения объекта с использованием специальных алгоритмов и программных средств, а также возможно то, что процесс выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала Δt₁ и Δt₃ для объекта контроля при сложной фоновой ситуации, осуществляется в операторном режиме, например, за счет формирования измерительных сигналов в виде изображений двух перемещающихся тонких горизонтальных (для измерения линейных размеров объекта по кадру) или вертикальных линий (для измерения линейных размеров объекта по строке) и их совместного отображения на экране видеоконтрольного устройства с изображением объекта, наведения оператором этих линий на первое и второе ТВ изображения объекта контроля при отображении запоминаемого (статичного) ТВ изображения объекта и формирования сигнала длительностью Δt₁ и Δt₃ объекта по этим измерительным сигналам.

Процесс перемещения ТВ камеры на расстояние Δρ к объекту контроля может осуществляться различными путями, например, за счет носимого варианта с помощью человека или мобильного варианта, за счет движения наземных, подводных, надводных, воздушных и других средств, со скоростью V, при этом Δρ=V·Δt, где Δt - время перемещения ТВ камеры из точки A₁ в другую точку.

Сигналы длительностью Δt₁ и Δt₃ в направлении кадровой развертки ТВ изображения могут иметь свои величины и обозначения Δt_1к и Δt_3к, а в направлении строчной развертки ТВ изображения - Δt_1c и Δt_3c, и соответственно линейный размер объекта в направлении кадровой и строчной развертки ТВ изображения будет иметь свои величины с обозначениями L_к и L_c.

Введение операции, связанной с формированием сигнала второго ТВ изображения с большим фокусным расстоянием объектива ТВ камеры, позволяет увеличить точность измерений. При этом величина S может быть любым числом в интервале значений S>1, но для выбранного значения S·F и размера оптической проекции изображения объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика должно выполняться условие, что х₃<X, или соответственно Δt₃<Δt_p, или Δz<Z, где Δz - число строк (элементов), приходящихся на изображение объекта контроля, a Z - общее число активных строк (элементов) в ТВ растре в направлении кадровой или строчной развертки (то есть изображение объекта во втором ТВ изображении не должно выходить за пределы ТВ растра). Увеличение фокусного расстояния объектива ТВ камеры позволяет уменьшить расстояние Δρ передвижения ТВ камеры для объектов с различными линейными размерами, в том числе и при их уменьшении. Это связано с тем, что погрешность измерения фактически определяется числом строк (элементов) приходящихся на изображение объекта в направлении кадровой или строчной развертки изображений. Она будет максимальной для расстояний, когда размер наблюдаемого объекта в ТВ изображении минимальный и занимает всего несколько строк (элементов), что будет характеризоваться минимальной длительностью сигнала изображения Δt_min, для последующего его стробирования серией импульсов. В то же время, когда изображение объекта максимально в ТВ растре (что соответствует, для рассматриваемого случая, изображению объекта второго ТВ изображения, полученного с большим фокусным расстоянием объектива, равного S·F), погрешность измерений, наоборот, будет минимальной. За счет этих особенностей увеличивается точность измерений и обеспечивается достижение поставленной цели.

Технический результат достигается за счет увеличения фокусного расстояния объектива ТВ камеры в S раз при формировании второго кадра ТВ изображения и обеспечения формирования сигнала с большей длительностью, равной Δt₃=Δt₂+Δt_j, где Δt_j=f(S), которая приходится на изображение объекта в сигнале второго кадра ТВ изображения. За счет этого, для интервала времени Δt₃, достигается увеличение числа стробирующих импульсов до величины, равной N₃=N₂+ΔN_j, что, при проведении вычислений, приводит к повышению точности измерений дальности и линейных размеров объектов.

На фиг.1, в качестве примера, показана структурная схема ТВ устройства для измерения дальности и линейных размеров объектов. Данное ТВ устройство реализует предлагаемый способ измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным изображениям. Оно содержит в своем составе объектив с переменным фокусным расстоянием 1, блок изменения фокусного расстояния 2, оптический фильтр с регулируемой спектральной характеристикой 3, телевизионный датчик (преобразователь "свет-сигнал") 4, синхрогенератор 5, усилитель-формирователь 6, первый, второй и третий управляемые коммутаторы 7, 14 и 16, сумматор сигналов 8, видоискатель (или видеоконтрольное устройство - ВКУ) 9, блок памяти на ТВ кадр 10, генератор тактовых и управляющих импульсов 11, блок автоматического выделения и формирования изображения 12, формирователь измерительных сигналов, формирующий горизонтальные или вертикальные линии 13, блок измерения параметров 15, блок управления 17, блок наведения 18, внешние потребители информации 19. Фактически блоки 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 могут рассматриваться как составляющие некоторой специализированной микроЭВМ. Важнейшим компонентом, входящим в состав блока измерения параметров 15, является центральный процессор, который характеризуется определенными параметрами: быстродействием, разрядностью, числом программно-доступных регистров и т.д. и выполняет арифметические, логические и другие операции, обработку сигналов от устройств ввода-вывода и др. Имеет определенный объем памяти ОЗУ и ПЗУ. Для вычисления дальности и линейных размеров объектов используется специальная программа. После окончания цикла измерений результаты измерений могут сохраняться в оперативной памяти или стираться. Обрабатываемые данные из центрального процессора выводятся для отображения на экране видоискателя или ВКУ в виде упорядоченной информации, содержащей результаты измерения, время, если необходимо - графики, характеризующие результаты измерения во времени и т.д. Использование режима синхронизации в блоке измерения параметров 15 с ТВ сигналом позволяет отобразить измерительную информацию с любым стандартным видеосигналом на экране единого ВКУ.

Синхрогенератор 5 формирует необходимые строчные и кадровые импульсы, которые используются для развертки изображения в ТВ датчике 4, для формирования полного ТВ сигнала на выходе усилителя-формирователя 6, а также вырабатывает необходимые тактовые импульсы для генератора тактовых и управляющих импульсов 11, выходные сигналы которого необходимой длительности и периода следования поступают на входы соответствующих блоков 10, 13, 15, 16, 17. В качестве ТВ датчика 4 могут быть использованы любые передающие трубки (типа видикон) или ПЗС матрицы.

Рассмотрим процесс работы ТВ устройства для измерения дальности и линейных размеров объектов. Вначале осуществляется поиск и визуальное наблюдение объектов контроля. Когда объект контроля находится на расстоянии ρ₁=(L·F)/x₁ в поле зрения ТВ камеры, он отражает или излучает поток лучистой энергии, с помощью объектива 1, имеющего фокусное расстояние F, он проецируется на светочувствительную поверхность (фотомишень) ТВ датчика 4 с рабочим размером X, через оптический фильтр с выбранной спектральной характеристикой 3, при этом размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика характеризуется величиной x₁. После преобразования лучистого (светового) потока с помощью ТВ датчика в сигнал изображения, он поступает на усилитель-формирователь 6, где осуществляется коррекция и усиление сигнала изображения до необходимого уровня и далее происходит его смешивание с гасящими и синхронизирующими импульсами кадровой и строчной развертки, после чего на его выходе формируется полный ТВ сигнал, который, проходя через первый управляемый коммутатор 7, сумматор сигналов 8, поступает на вход видоискателя (ВКУ) и отображается на экране для визуального восприятия изображения объекта оператором. При нахождении объекта контроля в поле зрения ТВ устройства для измерения дальности и линейных размеров объектов и необходимости проведения измерений осуществляется формирование первого ТВ изображения. Управляющий сигнал с выхода блока управления 17 поступает на второй вход управляемого коммутатора 7. Он дает разрешение на прохождение ТВ сигнала на первый вход блока памяти на ТВ кадр 10. Потом на второй вход кадровой памяти 10 поступает управляющий сигнал, дающий разрешение на запись видеосигнала в блоке памяти на ТВ кадр 10. Для контроля записанного статичного ТВ изображения видеосигнал считывается с блока кадровой памяти на ТВ кадр 10 и через первый управляемый коммутатор 7, пройдя сумматор сигналов 8, отображается на экране видоискателя 9. После этого происходит операция селекции по длительности сигнала, приходящего от изображения объекта в автоматическом или операторном режиме. В автоматическом режиме - управляющие разрешительные сигналы с выхода блока 17 поступают на второй вход блока автоматического выделения и формирования изображения 12, на выходе которого формируется сигнал временного интервала Δt₁, приходящегося на длительность сигнала от объекта. Этот сигнал через второй управляемый коммутатор 14 поступает на блок измерения параметров 15, где производится стробирование его серией импульсов N₁ с периодом следования Т₀, при этом Δt₁=N₁·Т₀, а затем в этом блоке 15 осуществляется запоминание полученного числа импульсов N₁. В операторном режиме - управляющий разрешительный сигнал поступает на формирователь измерительных сигналов (ИС), вырабатывающий горизонтальные или вертикальные линии 13, с выхода которого сигналы горизонтальных или вертикальных линий, через третий управляемый коммутатор 16, сумматор сигнала 8, отображаются на экране видоискателя 9. Оператор с использованием блока наведения 18 наводит изображения ИС в виде горизонтальных или вертикальных линий на габаритные размеры объекта контроля в направлении кадровой или строчной развертки изображения. Поскольку с использованием блока кадровой памяти на ТВ кадр 10 оператор наводит изображение ИС на статическое изображение объекта контроля, то достоверность снятия отсчетов увеличивается и тем самым повышается точность измерения дальности. Далее дается управляющий разрешительный сигнал на второй коммутатор 14 и сигнал с длительностью Δt₁, соответствующий сигналу изображения объекта, поступает в блок измерения параметров 15. Далее с ним проводят идентичные операции обработки, как и в автоматическом режиме, стробируют серией импульсов и запоминают полученное число импульсов N₁. После осуществления процесса перемещения ТВ камеры на расстояние Δρ к объекту контроля, различными путями, например, за счет носимого варианта с помощью человека или мобильного варианта, за счет движения наземных, надводных, воздушных и других средств, со скоростью V, при этом Δρ=V·Δt, осуществляют увеличение фокусного расстояния объектива ТВ камеры 1 на величину, равную S с использованием блока 2. Формирование второго ТВ изображения осуществляется идентично первому. Порядок выполнения операций и их последовательность такая же. Они заканчиваются для второго ТВ изображения формированием временного интервала с длительностью Δt₃, его стробированием серией импульсов N₃ и их запоминанием. Завершающий этап измерения дальности и линейных размеров объектов предусматривает операции совместной обработки сигналов в блоке измерений параметров 15, включающем центральный процессор, с учетом числа полученных импульсов N₁ и N₃, приходящихся на первое и второе ТВ изображения объекта, после подачи управляющего разрешительного сигнала. В блоке 15, с учетом априорных параметров ТВ камеры и других величин (заданных в виде постоянного числа), вычисляют дальность ρ и линейные размеры объекта L в соответствии с выражениями, учитывающими фокусное расстояние объектива ТВ камеры, равное величине S·F после перемещения ТВ камеры на расстояние Δρ в радиальном или произвольном направлении к объекту контроля на основе специальной программы. При перемещении ТВ камеры на расстояние Δρ, только в радиальном направлении (вдоль исходной оптической оси) к объекту, дальность и линейный размер объекта определяют согласно выражениям: ρ₁=(Δρ·х₃)/(х₃-S·x₁) или ρ₂=(Δρ·х₁)/(х₃-S·x₁), L=(Δρ·x₁·х₃)/F(x₃-S·x₁), где х₃=X·Δt₃/Δt_p, Δt₃=N₃·Т₀. При перемещении ТВ камеры на расстояние Δρ, в радиальном и произвольном направлении к объекту, дальность и линейный размер объекта определяют согласно выражению: ρ₁=(Δρ·sinφ·х₃)/(х₃-S·x₁), L=(Δρ·sinφ·x₁x₃)/F·(х₃-S·x₁), где 0°<φ≤90°. Полученные результаты измерений с первого выхода блока измерения параметров 15 подаются на вход сумматора сигналов 8, с выхода которого поступают на вход видоискателя 9, отображаются на экране видоискателя в виде численных данных для визуального анализа оператором. Со второго выхода блока 15 полученные данные могут поступать к внешним потребителям информации 19, сигналы от которых могут поступать на блок управления 17 (показано штрихпунктирной линией на чертеже).

Изобретение относится к информационно-измерительному телевидению и предназначается для решения задач измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным (ТВ) изображениям, формируемых с помощью монокулярных черно-белых, цветных, спектрозональных ТВ камер. Достигаемый технический результат - повышение точности измерения дальности. Способ основан на последовательном формировании двух ТВ изображений с помощью одной ТВ камеры, с изменяемым фокусным расстоянием объектива для разных точек наблюдения, разнесенных между собой на априорно известное расстояние Δρ. Направление перемещения ТВ камеры в общем случае определяется углом φ, образованным продольной линией относительно исходной оптической оси и линией смещения ТВ камеры. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения дальности и линейных размеров объектов по их телевизионным (ТВ) изображениям, предусматривающий измерение дальности ρ при неизвестных линейных размерах объекта L в направлении кадровой или строчной развертки ТВ изображения, включающий операции формирования сигнала ТВ изображения объекта, находящегося на расстоянии ρ₁=(L·F)/x₁ от ТВ камеры, расположенной в точке А₁, путем регистрации в заданной спектральной зоне оптического спектра отраженного или излученного потока лучистости от объекта и его проекции с помощью объектива, имеющего фокусное расстояние F, на светочувствительную поверхность (фотомишень) ТВ датчика, с априорно известным рабочим размером X, при этом размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика характеризуется величиной x₁, которая равна x₁=X·Δt₁/Δt_p для первого ТВ изображения объекта, где Δt_p - временной интервал развертки электронного луча для рабочей поверхности светочувствительной поверхности ТВ датчика в направлении кадровой или строчной развертки, характеризующейся числом активных строк (элементов), равных величине Z, а длительность сигнала объекта Δt₁ характеризуется в ТВ изображении величиной Δz - числом строк (элементов), приходящихся на изображение объекта, запоминания сигнала первого ТВ изображения объекта, выделения и формирования из него временного интервала, приходящегося на длительность сигнала объекта Δt₁, стробирование сигнала длительностью Δt₁ серией импульсов N₁ с периодом следования Т₀, при этом Δt₁=N₁·T₀, запоминания полученного числа импульсов N₁, перемещения ТВ камеры из точки A₁ на известное расстояние Δρ к объекту, формирование сигнала второго ТВ изображения объекта, находящегося на расстоянии ρ₂=(L·F)/x₂ от ТВ камеры, при этом размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика характеризуется величиной x₂=X·Δt₂/Δt_p для второго ТВ изображения, запоминания сигнала второго ТВ изображения объекта, выделения и формирования из него временного интервала, приходящегося на длительность сигнала объекта Δt₂, стробирование длительности сигнала Δt₂ серией импульсов N₂ с периодом следования Т₀, при этом Δt₂=N₂·T₀, запоминания полученного числа импульсов N₂, далее выполнения операций совместной обработки полученного числа импульсов N₁ и N₂, приходящихся на изображение объекта в двух точках - замерах сигналов, в направлении кадровой или строчной развертки изображения с учетом параметров ТВ камеры, и вычисления дальности и линейного размера объекта, при этом при перемещении ТВ камеры к объекту из точки А₁ в другую точку на расстояние Δρ в радиальном или произвольном направлении дальность ρ₁ определяется в соответствии с выражением:
ρ₁=(Δρ·sinφ·x₂)/(x₂-x₁),
а линейный размер объекта - L определяется согласно:
L=(Δρ·sinφ·x₁x₂)/F·(x₂-x₁),
где φ - угол между продольной линией относительно исходной оптической оси и линией смещения ТВ камеры, равный 0°≤φ≤90°, отличающий тем, что после перемещения ТВ камеры из точки A₁ на расстояние Δρ в направлении к объекту контроля, вводится операция, связанная с увеличением в S раз фокусного расстояния F объектива ТВ камеры, при этом дальность до объекта характеризуется величиной ρ₂=(L·S·F)/x₃, а размер оптической проекции наблюдаемого объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика будет равен величине х₃, при этом x₃=X·Δt₃/Δt_p и x₃=x₂+Δx_j, где приращение размера оптической проекции Δx_j определяется выбираемой величиной S, то есть Δx_j=f(S), затем формируют и запоминают сигнал второго ТВ изображения объекта, выделяют из него сигнал длительностью, равной величине Δt₃, приходящейся на изображение объекта, где Δt₃=Δt₂+Δt_j, то есть Δt_j=f(S), далее производят стробирование временного интервала Δt₃ серией импульсов N₃ с периодом следования Т₀, при этом Δt₃=N₃·T₀ и N₃=N₂+ΔN_j, где приращение числа импульсов ΔN_j зависит от выбираемой величины S, то есть ΔN_j=f(S), запоминают полученное число импульсов N₃, после чего выполняют операции совместной обработки сигналов, с учетом ранее полученного числа импульсов N₁ для первого ТВ изображения и числа импульсов N₃, приходящихся на второе ТВ изображение объекта, полученного с фокусным расстоянием объектива, равным величине S·F, вычисляют дальность ρ и линейные размеры объекта L, согласно выражениям:
ρ₁=(Δρ·sinφ·х₃)/(х₃-х₁),
L=(Δρ·sinφ·x₁x₃)/F·(x₃-x₁).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемещении ТВ камеры к объекту из точки A₁ в другую точку на расстояние Δρ в радиальном направлении (вдоль оптической оси) к объекту, то есть когда φ=90° и sin90°=1, дальность ρ₂ после перемещения ТВ камеры к объекту определяют согласно выражению:
ρ₂=(Δρ·x₁)/(x₃-S·x₁).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при перемещении ТВ камеры на расстояние Δρ в радиальном или произвольном направлении к объекту, фокусное расстояние объектива ТВ камеры увеличивают на величину S, которая удовлетворяет условию S>1, при этом для выбранного значения S·F и получаемого размера оптической проекции изображения объекта на светочувствительной поверхности ТВ датчика должно выполняться условие, что х₃<Х или Δt₃<Δt_p или соответственно Δz<Z.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала Δt₁ и Δt₃ для объекта контроля в направлении кадровой или строчной развертки изображения, осуществляют автоматическим путем, например, на основе амплитудных или спектральных признаков сигнала изображения объекта (цвета объекта) или иных признаков путем выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала изображения объекта с использованием специальных алгоритмов и программных средств.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс выделения и формирования временного интервала, приходящегося на полезную длительность сигнала Δt₁ и Δt₃ для объекта контроля при сложной фоновой ситуации, осуществляется в операторном режиме, например, за счет формирования измерительных сигналов в виде изображений двух перемещающихся тонких горизонтальных (для измерения линейных размеров объекта по кадру) или вертикальных линий (для измерения линейных размеров объекта по строке) и их совместного отображения на экране видеоконтрольного устройства с изображением объекта, наведения оператором этих линий на первое и второе ТВ изображения объекта контроля при отображении запоминаемого (статичного) ТВ изображения объекта и формирования сигнала длительностью Δt₁ и Δt₃ объекта по этим измерительным сигналам.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что процесс перемещения ТВ камеры на расстояние Δρ к объекту контроля может осуществляться различными путями, например, за счет носимого варианта с помощью человека или мобильного варианта, за счет движения наземных, подводных, надводных, воздушных и других средств, со скоростью V, при этом Δρ=V·Δt, где Δt - время перемещения ТВ камеры из точки A₁ в другую точку.

7. Способ по п.1, или 2, или 5, отличающийся тем, что сигналы длительностью Δt₁ и Δt₃ в направлении кадровой развертки ТВ изображения имеют свои величины и обозначения Δt_1к и Δt_3к, а в направлении строчной развертки ТВ изображения - Δt_1c и Δt_3c, и соответственно линейный размер объекта в направлении кадровой и строчной развертки ТВ изображения будет иметь свои величины и обозначения L_к и L_c.