Способ определения с субпиксельной точностью пиксельных координат центра лазерного пятна маломощного лазера Российский патент 2025 года по МПК G01B11/08 G06T7/60 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным средствам и методам измерения параметров объектов и дальности до них с помощью лазерного излучения.

Из уровня техники известны способ измерения геометрических параметров и/или деформаций образца при высокотемпературном воздействии на него и система для его осуществления (патент RU 2665323, МПК: G01B 11/16 (2006.01), опубл. 29.08.2018). Способ включает в себя этапы, на которых:

осуществляют нанесение на поверхность образца реперных точек;

устанавливают образец в высокотемпературной камере с обеспечением его освещения и визуального доступа к нему извне;

выполняют фоторегистрацию изображений образца до начала деформирования образца и в процессе деформирования образца при высокотемпературном воздействии с фиксацией времени получаемых фотоизображений, с последовательной обработкой получаемых изображений, причем обработку каждого изображения осуществляют посредством построения трехмерного числового образа образца, причем построение числового образа образца осуществляют с помощью:

- определения координат границ образца на фотоизображении в пиксельной форме с последующим построением аппроксимирующей кривой;

- определения на фотоизображении координат реперных точек в пиксельной форме;

- преобразования координат границ и реперных точек объекта из пиксельной формы в метрическую форму;

- и после чего с использованием данных, характеризующих ось симметричности образца, строят трехмерный (объемный) числовой образ образца;

осуществляют вычисление геометрических и деформационных параметров на основании полученного трехмерного числового образа образца, в качестве параметров деформации образца используют время с начала деформирования до момента разрушения образца, и/или координаты боковых точек, и/или форму границ образца, и/или координаты реперных точек, и/или значения смещения реперных точек, и/или скорости смещения реперных точек, и/или высоту/длину/ширину образца в произвольных вертикальных/горизонтальных сечениях, и/или величину и положение максимального и минимального бокового смещения/утонения, и/или несимметричность деформирования, и/или бочкообразность/сужение, и/или деформации элементов на поверхности, и/или высоту/ширину образца, и/или радиус продольной касательной окружности к боковой границе образца в месте наибольшего сужения.

К недостатку способа применительно к бесконтактным средствам и методам измерения параметров объектов и дальности до них с помощью маломощного лазерного излучения можно отнести то, что области маломощных отражений от поверхности объекта не имеют выраженных границ и поэтому к ним плохо применимы методы выделения границ.

Известно устройство для измерения геометрических параметров движения и деформации вращающихся объектов (патент RU 2808386, МПК: G01B 11/16 (2006.01), G01B 11/03 (2006.01), опубл. 28.11.2023), которое может применяться в производственных испытаниях для бесконтактных измерений геометрических параметров линейного и углового движения исследуемых вращающихся объектов. В процессе измерений в устройстве используется система оптически контрастных реперов, выполненная в виде набора отдельных вертикальных светоотражателей, нанесенных на контролируемую поверхность вращающегося объекта. В описании изобретения отмечается, что свет, отраженный от расположенных на контролируемой поверхности локальных светоотражателей, воспринимается приемным объективом цифровой камеры, образуя контрастные локальные образы реперов, хорошо различимые на цифровом изображении. С помощью дополнительного модуля осуществляется идентификация образов локальных светоотражателей и измерение пиксельных координат (u, ν) их центров на изображении. Используемый принцип измерения пиксельных координат (u, ν) центров изображений светоотражателей в описании изобретения не уточняется.

Известен способ расчета размера пятна лазерного луча (патент CN 104966308 В, МПК: G06T 7/62 (2017.01), опубл. 01.12.2017), в котором получают изображение светового пятна лазерного луча и соответствующее фоновое изображение при выключенном лазере. Изображение светового пятна после обработки, заключающейся в компенсации фона, переводится в полутоновое (т.е. изображение в оттенках серого). Интенсивность светового пятна аппроксимируется кривой Гаусса и для нее оценивается дисперсия для расчета размера радиуса изображения светового пятна как по горизонтали, так и по вертикали. Для оцененных таким образом размеров светового пятна далее применяется алгоритм средневзвешенной оценки центра тяжести пятна, в котором весовыми коэффициентами выступают значения интенсивности пикселей.

В качестве прототипа выбран наиболее близкий по совокупности признаков способ обнаружения центра светового пятна (патент CN 109631787 В, МПК: G01B 11/16 (2006.01), опубликовано 15.01.2021). В способе прототипа производят извлечение граничных точек световых пятен в области интереса, выполняют их аппроксимацию эллипсами с использованием граничных точек световых пятен и вычисляют двумерные координат центров световых пятен с субпиксельной точностью в соответствии с результатами доуточнения параметров ограничивающего эллипса. При этом по аналогии с методом RANSAC (Fischler М.А., Bolles R.C. Random sample consensus: a paradigm for model fitting with applications to image analysis and automated cartography // Comm. of the ACM. 1981. Vol. 24. P. 381-395) случайным образом выбирают набор из по меньшей мере шести граничных точек, подставляют их в уравнение эллипса

и с помощью численных методов, а именно - с помощью метода наименьших квадратов, - вычисляют параметры уравнения эллипса, подсчитывают количество граничных точек, удовлетворяющих данному уравнению, и выбирают в качестве параметров уравнения эллипса те значения, при которых количество удовлетворяющих ему граничных точек максимально. Зная численные значения параметров уравнения эллипса (1), находят координаты его центра:

которые и принимают за искомые координаты центра светового пятна.

Способ прототипа так же, как и ранее рассмотренные изобретения, требует выполнения процедуры выделения границ.

Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, заключается в необходимости выполнения процедуры поиска границ лазерного пятна в известных способах, что плохо применимо к маломощным отражениям с невысокой контрастностью.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности локализации с субпиксельной точностью центра световых пятен от маломощных лазеров.

Технический результат достигается тем, что для маломощного отражения принимается гипотеза о приблизительно гауссовом распределении его пространственной интенсивности:

где σ_х и σ_y - среднеквадратические отклонения по соответствующим координатным осям, I₀ - максимальная интенсивность в центре пятна.

Нелинейные уравнения вида (2) требуют применения итерационных численных методов для вычисления неизвестных параметров, что не удобно при реализации на практике. Поскольку для интенсивности отражений справедливо неравенство выполним натуральное логарифмирование обеих частей (2) для пикселей изображения светового пятна с

где

Для пикселей, превышающих некоторый порог I_пор, вычислим вектор неизвестных параметров аппроксимации р=[А, В, С, D, Е]^T как псевдорешение системы n≥5 линейных алгебраических уравнений:

где

При этом для уменьшения числа обусловленности матрицы при поиске решения в выражения (4)-(6) подставляются нормированные значения для х, у и I(х, у). Так, для полутонового изображения с разрядностью представления яркости пикселей (глубиной цвета) d бит нормируют элементы вектора t следующим образом:

а элементы матрицы Н - следующим образом:

где и h - соответственно ширина и высота некоторой окрестности лазерной отметки. Таким образом, в (4)-(6) для вычисления неизвестного вектора параметров аппроксимации р=[А, В, С, D, Е]^T подставляют нормированные согласно (7) и (8) значения.

Чтобы уменьшить влияние собственного шума камеры, регистрирующей лазерное излучение, вычисления по (4)-(8) выполняют для тех пикселей окрестности × h, которые превысили некоторое пороговое значение I_пор.

Вычисленное по (4) псевдорешение позволяет определить искомые координаты центра лазерного пятна. Нормированные значения координат центра получают следующим образом:

С учетом денормировки для компенсации (8) искомые значения пиксельных координат центра лазерного пятна:

Рассмотрим в качестве примера процесс обнаружения светового лазерного пятна с помощью имитационного моделирования. Сгенерируем ансамбль из N=10000 изображений световых пятен согласно модели (2), задавшись равномерно распределенными на интервалах и [h/4, 3h/4] значениями параметров х_с и у_с и равномерно распределенными на интервалах и [2, h/8] значениями параметров σ_х и σ_у соответственно. Сымитируем мультипликативный спекл-шум (Gascon F., Salazar F. Simulation of rough surfaces and analysis of roughness by MATLAB // MATLAB - An ubiquitous tool for the practical engineer: ed. M. Ionescu. Rijeka: InTech, 2011. P. 391-420) отражений с помощью случайного процесса, имеющего гамма-распределение с параметром k=15, а собственный аддитивный шум регистрирующей камеры - с помощью случайного процесса с нормальным распределением с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением σ_ш=1. Примем значение интенсивности I₀ для всех реализаций ансамбля постоянным: I₀=192. Примем пороговое значение I_пор по уровню 1/е² от максимума яркости.

Пример сгенерированного изображения для области пикселей, х_с=26, у_с=18, σ_х=4 и σ_y=5 в масштабе 800% приведен на фигуре.

Выполнив N раз вычисления по (4)-(8) согласно предлагаемому способу и согласно способу прототипа, получим, что среднее евклидово смещение вычисленного центра относительно истинных координат точки центра имитируемого светового лазерного пятна составляет:

для предлагаемого способа - Δm_предл=0,051 пике,

для способа прототипа - Δm_прот=0,054 пике,

т.е. обеспечивается выигрыш, заключающийся в снижении ошибки смещения на 5,9%.

Среднеквадратическая ошибка оценивания центра пятна соответственно составляет:

для предлагаемого способа - σ_прелл = 0,058 пике,

для способа прототипа - Δm_прот=0,061 пике, т.е. обеспечивается выигрыш, заключающийся в снижении среднеквадратической ошибки на 5,2%.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактным средствам и методам измерения параметров объектов и дальности до них с помощью лазерного излучения. Способ определения с субпиксельной точностью пиксельных координат центра лазерного пятна маломощного лазера заключается в том, что с помощью численных методов оценивают параметры аппроксимирующей функции двух переменных и по ним вычисляют пиксельные координаты центра (х_с, у_с) светового лазерного пятна с субпиксельной точностью. При этом в качестве аппроксимирующей функции применяется двумерное гауссово распределение с параметрами максимума интенсивности, координат центра пятна (х_с, у_с) и среднеквадратических отклонений интенсивности σ_х и σ_y. Для пикселей, превысивших порог I_пор, выполняются логарифмирование значений яркости I(х, у), нормирование и центрирование пиксельных координат к линейным размерам окрестности лазерного пятна, а для логарифмированных значений яркости - к величине где d - разрядность представления яркости пикселей. Технический результат изобретения - повышение точности локализации с субпиксельной точностью центра световых пятен от маломощных лазеров. 1 ил.

Способ определения с субпиксельной точностью пиксельных координат центра лазерного пятна маломощного лазера, в котором с помощью численных методов оценивают параметры аппроксимирующей функции двух переменных и по ним вычисляют пиксельные координаты центра (х_с, у_с) светового лазерного пятна с субпиксельной точностью, отличающийся тем, что в качестве аппроксимирующей функции применяется двумерное гауссово распределение с параметрами максимума интенсивности, координат центра пятна (х_с, у_с) и среднеквадратических отклонений интенсивности σ_х и σ_y, при этом для пикселей, превысивших порог I_пор, выполняются логарифмирование значений яркости I(х, у), нормирование и центрирование пиксельных координат к линейным размерам окрестности лазерного пятна, а для логарифмированных значений яркости - к величине где d - разрядность представления яркости пикселей.