Білинський, Й.Й. Методи обробки зображень в комп’ютеризованих оптико-електронних системах: монографія

Подождите немного. Документ загружается.

Перетворення «зрізу» інтенсивності дозволяє виділити пев-

ний інтервал діапазону інтенсивностей вхідного зображення. На

рис. 5.23а і б наведено восьмиградаційне зображення внаслідок пое-

лементного перетворення і контурне.

а б

Рис. 5.23. Результати обробки зображення стопи:

а – 8-миградаційне зображення розподілу навантаження;

б – контурне

Таке зображення стоп дає змогу візуалізувати відносний ро-

зподіл навантаження на стопу людини та контурне, внаслідок вико-

нання процедури згладжування контуру, яке в подальшому застосо-

вується для визначення геометричних параметрів стопи.

5.2.4. Аналіз статичних метрологічних характеристик

КОЕС параметрів стопи людини

Формула (5.31) є функцією перетворення та може викори-

стана -

рист

У загально бивної здатності,

а яку діє відхилення

бути

для оцінювання трологічних характе

ик відбивної здатності підошви стопи.

основних статистичних ме

му випадку процес знаходження від

Δ зовнішньої величини f від її значення f в но-н

рмальних умовах, описується аналітичною функцією перетворення

),(

Рівняння перетворення (5.31) можна подати у вигляді:

(,,,,,,)IfnnPSAF

де

– вихідна величина; P – вхідна величина;

,,,, ,nnSAE

– впливні

величини.

200

Розкладемо функцію перетворення (5.31) в ряд Тейлора і виве-

демо аналітичні залежності для оцінювання впливу на процес перетво-

рення відбивної здатності

I від неінформативних параметрів [201, 202].

Розрахунок похибок перетворення в умовах зміни впливних ве-

, а також похибки нелінійності номінальної функції перетворення і

проводився за допомогою пакета символьної математики

личин

чутливості

Maple 7.

Рис. 5.2

4. Адитивна похибка пере-

ворення за умови зміни показника

заломлення скла та тиску

(,)

Рис. 5.25. Адитивна похибка

перетворення за умови зміни

показника заломлення повітря та

тиску

(,)

Встановлено, що зі збільше

Рис. 5.2

орення за умови зміни чутливо-

сті фотоприймальної системи та

6. Адитивна похибка пере-

тв

тиску

(,)

Рис. 5.27. Адитивна похибка

перетворення з умови зміни

розміру зрачка оптичної систе-

тиску

(I А

ми та

,)P

201

На рис. 5.24 – 5.27 наведені результати моделювання отриманих

адитивних похибок перетворення в умовах зміни показника заломлення

скла та тиску

(,)

nP, показника заломлення повітря та тиску

(,)

nP, ін-

тегральної чутливості фотоприймальної системи та тиску

(,)

SP, побу-

дованих в середовищі символьної математики Maple 7 [136]. Як показу-

ють дослідження, найбільше впливає на точність перетворення чутли-

вість фотоприймальної системи, а також розміри зрачка оптичної систе-

ми. З наведених залежностей видно, що адитивна похибки перетворен-

ня за показником заломлення повітря

є незначною й на результат пе-

ретворення практично не впливає. Номінальна функція перетворення

має нелінійність, а номінальний коефіцієнт перетворення або чутливість

є непостійною і змінюється в діапазоні перетворення.

становлено, що зі збільшенням фокусу оптичної системи і ві-

дстані о фотоприймального пристрою зменшується діапазон вимі-

рюваних розмірів і збільшується зона нечутливості. Оскільки КОЕС

изначає відносне значення розподілу навантаження, то при зміні па-

аметрів зіниці оптичної системи це значення по всій площині стопи

залишається незмінним.

5.3. Комп’ютеризована оптико-електронна система

постави тіла людини

учасні системи діагностики опорно-рухового апарату людини

– це комплекс технічних засобів, які дозволяють отримати не тільки

зображення частин м’язово-скелетної системи, але й їхнє взаємне роз-

ташування й геометричні розміри, що дає змогу якісно і кількісно оці-

нити п птимальній статиці та динаміці.

-рухового апарату умовно можна

класифікувати як сканувальні та несканувальні [261–268], за викорис-

танням параметра – на енергетичні, часові та просто-

рові [269, 270].

анувальні – це методи ультразвукового, теплового (теплові-

зори), оптико-електронного дослідження та телезображення. Вони

широкого застосування для діагностики постави тіла не знайшли,

скільки не дають уявлення про ступінь і характер деформацій, які

озвинулися, мають велику похибку вимірювання і використовуються,

росторову асиметрію при нео

етоди діагностики опорноМ

інформативного

Ск

202

в осно

ком с

і сист

ається відтворен-

ням фо

невелику кількість точок, що контролюють-

ся, то основним недоліком їх є низька точність [256, 258] .

мірних

поверхонь на основі 6, 277], які можна від-

нести до

(

вному, для порівняння даних при контролі ефективності ліку-

вання [265, 270, 271].

Недолі канувальних систем є те, що процес вимірювання

залежить від швидкості сканування, у зв’язку з чим подібн еми не

можна використовувати для аналізу зображень у процесі зміни поло-

ження об’єкта, чи зміни положення самої системи відносно об’єкта

[272–275].

Несканувальні методи, що створюють зображення, складають-

ся з чотирьох груп: фотограмметричні, магнітно-резонансні (МРТ),

рентгенологічні (рентгенографія) теплові (евапографи). Найбільшу

увагу заслуговують перші три методи [256].

Фотограмметрія або фототопографія, що займ

рм і положення об’єктів у просторі на підставі так званих фото-

грам, тобто спеціалізованих фотографічних знімків, є найбільш без-

печним методом дослідження постави тіла.

Основними способами просторової фотограмметрії є техніка

Морі та спосіб ISIS (Integrated Shape Investigation System). Оскільки ці

способи використовують

Відомі методи визначення форми та координат триви

оптичних стереосистем [27

класу систем "пасивного" спостереження. Поряд з достоїнст-

вами простота й відносно невисока вартість), такі системи мають іс-

тотні недоліки: залежність результатів від характеру об'єкта й умов

освітлення, чутливість до впливу зовнішнього фонового світла, склад-

ність математичних методів і комп'ютерних алгоритмів обробки.

В останні роки одержали широке поширення системи «актив-

ного» типу, у яких об'єкт освітлюється джерелом випромінювання з

відомими властивостями, що дозволяє усунути зазначені вище недо-

ліки. Як джерело випромінювання може використовуватися лазер,

пучок якого сканує об'єкт [278, 279].

Активний розвиток комп'ютерних технологій створив переду-

мови розробки методів відновлення тривимірної форми об'єктів більш

простими технічними засобами на основі використання принципу

«проекції смуг», сформованих у когерентному або некогерентному

світлі із заданим просторовим розподілом інтенсивності [280–284].

203

Відновлення тривимірної форми об'єктів при структурованому

освітленні ґрунтується на принципі тріангуляції. При відомому взаєм-

ному к

освітленні об'єкта набором патернів з відомим розподілом

інтенси

оекцій паралельних смуг

видозм

ти декілька патернів з різ-

ним кр

торювано-

сті кол

рної по

в сучасних системах застосову-

ються

утовому розташуванні осей джерела (проектора) і відеокамери

забезпечується однозначна відповідність елементів розподілу інтенси-

вності, що проектується, (патерна) і елементів відеокамери в області

спостереження.

При

вності, кожен патерн «деформується» відповідно до рельєфу

поверхні, і відстань до кожної точки поверхні подається бінарним ко-

дом [285]. Операція декодування дозволяє одержати координату відс-

тані до кожної точки поверхні. Картина пр

інюється відповідно до форми освітлюваної поверхні.

Використання бінарних патернів обмежує швидкодія системи,

оскільки для одержання даних про рельєф у широкому діапазоні одно-

значності необхідно формувати й реєструва

оком смуг. Цей недолік усувається при використанні кольоро-

вих патернів, які містять суперпозицію декількох патернів, розділених

за принципом спектральної селекції [284, 285]. Формування оптима-

льних кольорових патернів з усуненням надмірності та пов

ьорів і забезпеченням найбільшого розходження кольору в су-

сідніх смугах патерна є важливою задачею.

5.3.1. Математична модель знаходження відстані до світло-

вої точки, відбитої від поверхні об’єкта

На сьогодні найпоширенішим принципом одержання тривимі-

верхні шляхом сканування об'єкта є принцип тріангуляції. Для

використання цього принципу необхідний як мінімум один пристрій

захоплення зображення й один пристрій підсвічення. При цьому при-

стрій підсвічення з’єднаний із пристроєм точного позиціювання.

Пристроєм захоплення зображення

відеокамери високої роздільної здатності, а пристроєм підсві-

чення – лазери, мультимедійні проектори та ін. Але у випадку склад-

ного рельєфу об’єкта така система має ряд недоліків [285]:

−

знаходження вузлових точок ускладнюється у зв’язку з їхнім

хаотичним положенням;

204

−

дачі:

овідних

точок н

еної лінії або точки на зо-

браженні об’єкта. Якщо вважати, що параметри камери відомі, то го-

ловною

структура оптико-електронної системи, як правило, склада-

ється мінімум з двох пристроїв захоплення зображення;

−

програмне забезпечення вимагає додаткових алгоритмів по-

передньої обробки зображення.

Для побудови системи безконтактних вимірювань необхідно

вирішити такі за

– розробити адекватну модель одержання зображень (калібру-

вання камер);

– визначити положення знімальної системи в заданій системі

координат;

– виконати автоматичне відновлення 3D поверхні об'єкта;

– виконати високоточне знаходження координат відп

а зображеннях;

– виконати розрахунок тривимірних координат і відновити

форму поверхні об'єкта;

– побудувати повну тривимірну модель об'єкта.

Для одержання координат точок глибини сцени необхідно

безпосередньо обчислити координати точок зображення об’єкта в

двовимірному просторі. На точність цього методу головним чином

впливають такі фактори: точність визначення параметрів камери та її

позиціювання та точність виділення підсвіч

задачею є точне визначення двовимірних координат виділе-

них точок або ліній.

Для виведення рівняння перетворення розглянемо хід променів

в оптичній системі, які наведені на рис. 5.28 [286, 287].

Рис. 5.28. Хід променів в оптичній системі

205

Нехай точковий об’єкт, що реєструється, знаходиться на відс-

тані

b від головної оптичної осі та розташований на відстані d від оп-

тичної системи –

z. Тоді відстань від

ої системи –

тичної системи з фокусною відстанню

F. При цьому відстань від фо-

топриймального пристрою до оп

фокусу до фотоприймального пристрою буде

l, а від сфокусованого

зображення до оптичн

З подібності трикутників

ABC

CBA

′

можна записати:

де

– відст

, (5.34)

ань від оптичної осі до центра світлової плями на фотоп-

риймальному пристрої.

Тоді відстань згідно з (5.34) від об’єкта до оптичної системи

визначається як

()bz bF l

⋅

, (5.35)

де

Fz =

Вираз (5.35) є функцією перетворення зміщення світлової пля-

ми на фотоприймальному пристрої у відстань до об’єкта.

На рис. 5.28 наведено теоретичну статичну характеристику

зміщення світлової плями від відстані до об’єкта, побудовану для

трьох значень фокусної відстані

мм,

100=F

мм.

Рис. 5.28. Статична характеристика оптико-електронного

далекоміра , побудована для

),( Fdfk =

мм, мм,

100

мм

206

Збільшення фокуса оптичної системи та відстані від фокуса до

фотоприймального пристрою веде до збільшення зони нечутливості і

звуження діапазону вимірювань.

Теоретична статична характеристика є нелінійною, що і визна-

чає область застосування даного вимірювального пристрою. Обме-

ження верхньої межі вимірювань до 2 м дозволяє працювати на більш

лінійні ерис ки.

ні

дстані до об’єкта, на якому знаходиться світ-

лова п

а схема якого наведена на рис. 5.29 [287].

Далекомір містить лазер 1, який напр

паралельно головній оптичній осі системи 3

слідок оходження через оптичну систему зображення світлової

плями

якій відс-

тані зн

й ділянці статичної характ ти

Підбір оптимального співвідношення значень фокусної відста-

F, відстані від фокуса до фотоприймального пристрою l та парамет-

рів птичної системи

b дає змогу досягнути необхідної точності та чу-

тливості знаходження ві

ляма. Це дало змогу запропонувати оптико-електронний дале-

комір, структурн

авляє лазерний промінь

на поверхню об’єкта 2.

Вна пр

реєструється фотоприймальним пристроєм 4, функцію якого

виконує фотолінійка або фотоматриця. Залежно від того, на

аходиться об’єкт вимірювань 2, світлова пляма на фотоприйма-

льному пристрої 4 буде мати відповідне положення.

Рис. 5.29. Структурна схема оптико-електронного далекоміра

Відстань до об’єкта визначають за місцезнаходженням поло-

ження максимуму світлової плями за допомогою обчислювального

пристрою 5 [288]. Запропонований оптико-електронний далекомір,

побуд мкм,

дозв ати відст охиб ,1% в зоні

від 0–1,8 м.

ований на основі фотолінійки з розміром фотокомірки 8

оляє вимірюв ань до об’єкта з п кою 0 діапа

207

5.3.2. Математична модель знаходження координати глибини

об’єкта дослідження

У попередньому підрозділі була розглянута математична модель

визнач

знаходяться в будь-якому

місці с

відстані В

від гол

ення відстані до світлової точки, яка знаходиться в полі зору

відеокамери. При цьому вісь системи паралельна лінії поширення

променя від джерела світла до точки вимірювання. Оскільки зобра-

ження містить велику кількість точок, які

цени, то необхідно отримати залежність, що дозволяє розраху-

вати третю координату, що відповідає глибині сцени зображення.

На рис. 5.30 наведено положення точки А, створеної проекційною

системою, що знаходиться в площині екрана Z, та положення цієї то-

чки на об’єкті, яка трансформується в точку А* [297].

Промінь світла від проекційної системи, яка знаходиться на

овної оптичної осі системи, формує світлову точку на поверхні

об'єкта. Положення зображення цієї точки реєструється матричним

фотоприймальним пристроєм. Залежно від того, на якій відстані зна-

ходиться об'єкт дослідження, одна і та ж сама світлова точка на фо-

топриймальному пристрої, буде мати інше положення.

Рис. 5.30. Положення точок проекційної системи

на екрані та об’єкті

При відомому значенні базової відстані В, дистанції знімання d і

координат світлової точки на екрані та об’єкті за допомогою несклад-

них перетворень можна визначити величину

, тобто координату

глибини як

208

12 2 1 12

1112

121

(( ) )( )

()

XdYY

ZXX

+−

=−−

()BY−

. (5.36)

Положення проекцій точок на матричному фотоприймачі пока-

зані на рис 5.31. Відстань до об'єкта визначають за допомогою зміни

координат максимуму світлової точки та лінійного збільшення

А*

1 x2

Рис. 5.31. Положення проекцій точок на матричному фотоприймачі

Функцію, що дозволяє визначити координату глибини сцени

зображення об’єкта, можна отримати на підставі виразу (5.36) з

рахуванням збільшення оптичної системи, виходячи з рис. 5.31

222 2

121

()()

()

xd yy

ββ

⎧

+−

=−

⎪

−

⎪

⎨

⎪

⎩

;

−

(5.37)

де – відстань від площини,

на якій знаходиться об’єкт, до оптич-

ної системи; – координати точки на екрані та об’єкті в площині

матричного по осі

y, відповідно;

фотоприймача

– координати

точки на е а а по

осі

x, відповідно; В – базо

Вираз (5.37) дозволяє розрахувати глибину зображення

розділі 2.

крані та об’єкті в площині матричного фотоприйм ч

ва відстань.

о ’єкта на підставі координат світлової плями, що знаходиться на

площині та, відповідно, на об’єкті.

Алгоритми визначення положення максимуму світлової точки

розглянуті в

209