Способ выделения участков равного параллакса на снимках стереопары и устройство для его осуществления Советский патент 1979 года по МПК G01C11/14 

Изобретение относится к области фотограмметрии и может быть использовано для создания системы автоматизированного составления карт по стереопарам аэрофотоснимков.

Известны автоматизированные системы, основанные на известном способе выделения участков равного параллакса на стереопаре фотоснимков электронными средствами, который состоит в том, что синхронно сканируют соответственные малые участки снимков стереопары при помощи ЭЛТ, преобразуют оптическую плотность изображений участков в электрические сигналы, подаваемые на коррелятор, измеряют значение параллакса в момент максимума функции корреляции с помощью электромеханической х ледящей системы, сравнивают измеренное значение с выбранным и в случае их равенства выделяют данный участок снимков, переходят к следующему участку и все повторяют 1 и 2.

Быстродействие этого способа ограничено из-за конечного времени сканирования участков, инерционности электромеханической следящей системы и, главным образом.

из-за самого принципа последовательной обработки изображения.

Известен способ выделения участков равного параллакса на стереопаре снимков, основанный на параллельной оптической обработке изображений. Способ заключается в том, что последовательно удаляют постоянную составляющую амплитудного пропускания первого снимка стереопары, формируют изображение первого снимка, записывают

голограмму первого снимка, устанавливают второй снимок стереопары в положение, соответствующее искомому значению параллакса, удаляют постоянную составляющую амплитудного пропускания второго снимка стереопары, формируют изображение второго снимка, модулируют изображение второго снимка носителем голограммы первого снимка, выделяют постоянную составляющую амплитуды, восстановленной с голограммы опорной волны и формируют из опорной

волны выходной сигнал в виде ярких участков в выходной плоскости, положение которых соответствует участкам равного значения параллакса 3.

Устройство для выделения участков равного параллакса на стереопаре снимков состоит из записывающей и измерительной частей. Записывающая часть устройству содержит расположенные по ходу предметного пучка когерентного света первый снимок стереопары, расположенный в предметной плоскоети входной оптической системы, входную оптическую систему, состоящую из сферических компонентов, фильтр высоких пространст венных частот и носитель голограммы, расположенный в плоскости изображения входной оптической системы. Измерительная часть устройства включает расположенные по ходу предметного пучка когерентного света второй снимок стереопары, расположенный в предметной плоскости входной оптической системы, и входящие в записывающую часть входную оптическую систему, фильтр, высоких пространственных частот и расположенный в плоскости изображения входной оптической системы носитель голограммы, а также расположенные по ходу опорного пучка выходную оптическую систему, в предметной плоскости которой расположен носитель голограммы, и фильтр низких пространственных частот. Недостатком способа является невозможность выделения участков равного параллакса при значительных углах наклона изображаемой на снимках местности в направлении базиса съемки. Для реальных аэрофотоснимков применение известных оптических способов приводит к тому, что выделяемая горизонталь состоит из отдельных фрагментов, поскольку некоторые участки горизонтали, лежащие на продольных склонах и поэтому имеющие разный продольный масштаб, не коррелируют. Увязать отдельные фрагменты в горизонталь можно только после ручной обработки стереопары на стереоприборе. Цель изобретения - параллельное выделение всех участков-равного параллакса со снимков, в том числе при значительных углах наклона изображаемой местности в направлении базиса съемки. Для этого предварительно разбивают первый снимок стереопары на узкие полосы, перпендикулярные направлению базиса съемки, изменяют для всех изображений в пределах полученных полос продольный масштаб относительно исходного, сохраняя первоначальные значения продольной координаты центров этих полос и выбирая значение масщтаба из ряда, перекрывающего весь диапазон возможных изменений масщтаба, записывают при различных направлениях опорного пучка несколько наложенных голограмм, трансформированных с выбранными продольными масштабами изображений первого снимка, а выходной сигнал формируют из опорных волн, восстановленных со всех записанных голограмм. Устройство для осуществления способа состоит из записывающей части, содержащей расположенные по ходу предметного пучка когерентного света первый снимок стереопары, входную оптическую систему, фильтр высоких пространственных частот и носитель голограммы, расположенный в плоскости изображения входной оптической системы, и измерительной части, содержащей расположенные по ходу предметного пучка второй сни.мок стереопары, расположенный в предметной плоскости входной оптической системы, и входящие в записывающую часть сферические компоненты входной оптической системы, фильтр высоких пространственных частот и расположенный в плоскости изображения входной оптической системы носитель голограммы, а также расположенные по ходу опорного пучка выходную, оптическую систему, в предметной плоскости которой расположен носитель голограммы, и фильтр низких пространственных частот. В предлагаемом устройстве первый снимок стереопары расположен в предметной плоскости растровой цилиндрической оптической системы, установленной перед входной оптической системой записывающей части таким образом, что предметная плоскость последней совпадает с плоскостью изображения цилиндрической растровой оптической системы, образующая которой перпендикулярна базису съемки, а входная оптическая система записывающей части снабжена цилиндрической насадкой. Значения продольного масщтаба, необходимые для перекрытия всего диапазона возможного изменения относительного масштаба сопряженных участков, определяется из неравенства (1 +в) В, (1) где в - изменение относительного масштаба сопряженных участков, которое еще обеспечивает необходимое отношение сигнал/шум при оптической корреляции (в 0,03 + 0,10); В - максимальная величина относительного масштаба сопряженных участков, диапазон изменения относительного масштаба от - до B,Bt:3); п- необходимое число значений масштаба (предпочтительно и.меть голограмму с масштабом М 1, при этомп- нечетное). Необходимые значения продольного масштаба образуют ряд (1 + вГ,....(1 + вГ, 1, (1 + в)2,....(1 + вГ или в общем виде Mi (1 + в) где i 1,2...п. Первый снимок стереопары разбивают на узкие полосы, перпендикулярные направлению базиса съемки. Ширина полосы определяется минимальным размером участка, достаточным для его надежного корреляционного отождествления, и имеет величину 10- 30 периодов наивысшей на снимке пространственной частоты, т. е. порядка 0,3- 1,0 мм. Затем для всех полученных полос

изменяют продольный масштаб заключенных в них изображений относительно исходного, сохраняя первоначальное положение центров этих полос. Значения масштаба выбирают из ряда (2). Полученные при таком трансформировании п изображений записывают голографическим путем.

На фиг. 1 а, б, 6 показан рисунок трансформированного изображения, представленного совокупностью точек (изображение трансформировано в масштабах соответственно 1:1; 1:1,5 и 1,5:1); на фиг. 2 - записываюшая часть устройства; на фиг. 3 - измерительная часть устройства.

На пути параллельного пучка когерентного света установлен первый снимок 1 стереопары, который может перемешаться по горизонтали и вертикали, поворачиваться в плоскости снимка, а также перемеш.аться вдоль оптической оси. За снимком по ходу пучка расположена цилиндрическая растровая оптическая система 2, состоящая, например, из трех цилиндрических растров 3-5, имеющих одинаковый шаг. Фокусные расстояния элементов этих растров связаны соот.ношением з fs 21. Каждые три соосных элемента растров образуют оптическую систему, в которой растр 3 формирует обратное изображение узкой полосы снимка 1 и в плоскости, в которую помешен растр 4, выполняющий функции коллектора, а растр5 формирует прямое изображение узкой полосы снимков 1. Фокусное расстояние растра 4 выбрано из условия сохранения параллельного хода лучей за цилиндрической растровой оптической системой. Цилиндрические растры 3-5 могут независимо перемешаться вдоль оптической оси. При предлагаемой конструкции растровой цилиндрической оптической системы максимальный поперечный размер изображения полосы равен шагу растра, т. е. приувеличении масштаба относительно исходного изображается только центральная часть полосы. Однако это не искажает выходные результаты. Плоскость изображения растровой оптической системы совпадает с передней фокальной плоскостью расположенного далее по ходу пучка сферического объектива 6. Цилиндрическая насадка 7, расположенная рядом с объективом 6, изменяет фокусное расстояние в плоскости, параллельной образуюшим растров таким образом, чтобы оно совпадало с оптической длиной пути до плоскости снимка 1. В задней фокальной плоскости объектива 6, где формируется преобразование Фурье снимка 1, помешен фильтр 8 высоких пространственных частот, представляюший собой непрозрачную заслонку для прошедших без дифракции лучей. Задняя фокальная плоскость объектива 6 совпадает с передней фокальной плоскостью расположенного далее по ходу пучка сферического объектива 9, в задней фокальной плоскости которого помешена фотопластинка - носитель голограммы 10. Сферические объективы б, 9 и цилиндрическая насадка 7 образуют входную оптическую систему 11. Узел 12 для изменения угла падения опорного пучка на носитель голограммы может быть выполнен сочетанием поворачивающегося вокруг вертикальной оси с возможностью останова в одном из нескольких возможных угловых положений зеркала 13 и подвижного зеркала 14, которое каждый раз занимает положение по касательной к направляющей 15, соответствуюшее положению зеркала 13. Направляюшая 15 имеет форму части эллипса, лежащего в горизонтальной плоскости, фокусы которого находятся на оси вращения зеркала 13 и на центральной оси носителя голограммы 10.

На пути параллельного пучка когерентного света в передней фокальной плоскости объектива 6 записывающей части расположен второй снимок 16 стереопары, имеющий возможность перемещения и поворота в плоскости снимка. Фильтр 8 высоких частот записываюшбй части расположен в задней фокальной плоскости объектива 6, совпадаюшей с передней фокальной плоскостью объектива 9 записываюшей части, в задней фокальной плоскости которого расположен носитель

5 голограммы 10. За носителем голограммы вдоль среднего направления распространения опорных пучков находится сферический объектив 17, передняя фокальная плоскость которого совпадает с плоскостью носителя голограммы, а в задней фокальной плоскос0ти помешен фильтр низких пространственных частот 18, представляюший собой непрозрачный экран, имеющий малые отверстия в точках фокусировки восстановленных с носителя голограмм опорных волн. Плос5кость фильтра низких пространственньи частот совпадает с передней фокальной плоскостью сферического объектива 19, в задней фокальной плоскости которого расположен фотоприемник 20, в качестве которого может использоваться фотопластинка, видикон и т. д. Сферические объективы 17 и 19 образуют выходную оптическую систему 21.

Запись голограмм осуществляют следующим образом.

Один из горизонтальных снимков стереопары с известным направлением базиса

5 съемки устанавливают так, чтобы базис съемки был перпендикулярен образующей цилиндрического растра, а центр снимка находился на оптической оси системы. Параллельным пучком когерентного света освещают

0 во время экспонирования снимок 1, и цилиндрическая растровая система 2 формирует в плоскости изображения трансформированное изображение снимка со значением продольного масштаба из ряда (2). Для этого смещения растров 3-5 и снимка 1 относи5тельно неподвижной плоскости изображения выбирают из соответствующих рядов, определяя их значения, исходя из ряда (2), и требования о сохранении параллельного хода пучков на выходе цилиндрической растровой оптической системы. Объективом 6 в сочетании с насадкой 7 формируют в задней фокальной плоскости объектива 6 распределение света, которое описывается преобразованием Фурье от трансформированного снимка 1. Фильтром 8 удаляют постоянную составляющую амплитудного пропускания снимка 1 из проходящего далее светового потока. Это необходимо для увеличения отнощения сигнал/щум на выходе. Объективом 9 осуществляют обратное преобразование Фурье над световым распределением в его передней фокальной плоскости и формируют в плоскости носителя голограммы 10 трансформированное изображение сни.мка 1 с удаленной постоянной составляющей его амплитудного пропускания. На носитель голограммы во время экспонирования направляют узлом 12 под определеяным угло.м опорный пучок когерентного света, В результате за время экспонирования на носителе голограммы записывают гологра.мму изображения первого снимка стереопары, трансформированного с выбранным продольным масштабом. Затем записывают НЕ носителе 0 другие голограммы. Перед ка.л;ды.1 последующим экспонирован.чем ;;,;: линдрические растры 3-5 и снимок 1 перемещают вдоль ог1тической оси в положения, соответствующие выбранному значению маеипаба трансфор.мирования, а также изменяют положение зеркал 13 и 14 узла 2 а..я изменения угла падения опорного пучка. Величины углов падения опорного пучка выбирают такими, чтобы наложенные гологра.ммы были разнесены по частоте. Минима..ьный допустимый угол Qtnin между направлением опорного пучка и нормалью к поверхности носителя голограммы определяют из условия sin 0rnin 5 fmaxA,, где frnax - - максимальная пространственная частота на с.нимке (порядка 30 1/мм); А - длина волны KorepeHiiio го света, используемого в устройстве. Последующие узлы определяют из условия sinGj - sin 9j-.i -- 4 tVriaxA Участки с искомым значе} ием параллакса выделяют следующим образом. Послеп - кратного экспоиирования носитель голограмм 10 подвергают фотографической обработке, причем следует предпочесть обработку на .месте экспонирования. Второй снимок 16 стереопары устанавливают в переднюю фокальную плоскость, объектива 6, совмещая центр снимка с оптической осью системы и направляя базис съемки перпендикулярно образующей цилиндрических растров. Смещают снимок вдоль базиса съемки на величину искомого параллакса. Параллельный пучок когерентного света дифрагирует на снимке 16 в соответствии с распределением его амплитудного пропускания, и объектив 6 формирует в своей задней фокальной плоскости распределение света, описываемое преобразованием Фурье амплитудного пропускания снимка 16. Объективом 9 формируют в плоскости носителя голограммы 10 изображение снимка 16 без удаленной фильтром 8 постоянной составляющей его амплитудного .пропускания. Этот световой поток освещает носитель голограммы, и с участков с искомым значением параллакса восстанавливаются опорные волны, соответствующие относительным масщтабам этих участков. Опорные волны фокусируют объективом 17 в плоскость фильтра 18 низких частот, который ослабляет щу.мы, а объективом 19 формируют в плоскости фотоприемника 20 изображение тех участков носителя голограммы, с которых восстановились опорные волны. Это и будут участки с искомым значением параллакса, выделенные по яркости. Для выделения участков с другим значением параллакса снимок 16 смещают вдоль базиса. Участки равного параллакса получают в плоскости фотоприемника 20 в центральной проекции. Для перехода к прямоугольной проекции за плоскостью 20 устанавливают панкратический объектив. Предлагаемый способ позволяет создать aвтoмaтиз ipoвaннyю систему выделения изолиний по стереопаре фотоснимков с быстродействием 5-15 мин на одну стереопару. При дальнейшем совершенствовании злементпой базы когерентной оптики скорость обработки может быть епде более повышена. Формула изобретения 1. Способ выделе1 ия участков равного параллакса на снимках стереопары, при котором удаляют постоянную составляюш.ую а.мпЛктудного пропускания первого снимка стереопары, фор.мируют изображение первого спимка, записывают голограмму изображения первого снимка, устанавливают второй снимок стереопары в положение, соответствующее искомому значению параллакса, удаляют постоянную составляющую амплитудного пропускания второго снимка стереопары, формируют изображение второго сни.мка, модулируют изображение второго снимка носителем голограммы первого снимка, выделяют постояпную составляющую амплитуды, восстановленной с голограммы опорной во.лпы, и формируют из опорной волны выходной сигнал в виде ярких участков в выходной плоскости, положение которых соответст вует участкам равного значения параллакса, отличающийся тем, что, с целью параллельного выделения всех участков равного параллакса со снимков, в том числе при значительных углах наклона изображаемой местности в направлении базиса съемки, предварительно разбивают первый сни.мок стереопары на узкие полосы, перпендикулярные направлению базиса съемки, из.меняют для всех изображений в пределах полученных полос продольный масштаб относительно исходного, сохраняя первоначальные значения продольной координаты центров этих полос и выбирая значение масштаба из ряда, перекрывающего весь диапазон возможных изменений масштаба, записывают при различных направлениях опорного пучка несколько наложенных голограмм, трансформированных с выбранными продольными масштабами изображений первого снимка, а выходной сигнал формируют из опорных волн, восстановленных со всех записанных голограмм.

2. Устройство для осуществления способа выделения участков равного параллакса на снимках стереопары по п. 1, состоящее из записывающей части, содержащей расположенные по ходу предметного пучка когерентного света первый снимок стереопары, входную оптическую систему, фильтр высоких пространственных частот и носитель голограммы, расположенный в плоскости изображения входной оптической системы и измерительной части, содержащей расположенные по ходу предметного пучка второй снимок стереопары, расположенный ,в предметной плоскости входной оптической системы, и входящие в записывающую часть сферические компоненты

ВХОДНОЙ оптической системы, фильтр высоких пространственньгх частот и расположенный в плоскости изображения входной оптической системы носитель голограммы, а также расположенные по ходу опорного пучка выходную оптическую систему, в предметной плоскости которой расположен носитель голограммы, и фильтр низких пространственных частот, отличающееся тем, что в записывающей части первый снимок стереопары расположен в предметной плоскости растровой цилиндрической оптической системы, плоскость изображения которой совпадает с предметной плоскостью оптической системы, снабженной оптической цилиндрической насадкой, а образующая растровой системы перпендикулярна базису съемки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Истен Р. Автоматизация стереоскопического составления карт по аэроснимкам. Сборник «Пособие по фотограмметрии, «Недра, 1971.

2.Зотов Г. А. Автоматизация в фотограмметрии. Сборник «Геодезия и аэросъемка, М., № 11, 1976.

3.Патент США № 3603682, М. кл. G 01 С 11/04, 08.08.1969.