Математическое моделирование и исследование оптимальных конфигураций триангуляционной оптико-электронной системы при подсветке пространства предметов одной полосой

Аннотация

Работа посвящена теоретическому исследованию триангуляционных оптико-электронных систем, состоящих из видеокамеры и источника структурированной подсветки в виде одиночной прямой полосы. Подобные оптико-электронные системы могут использоваться для решения различных задач трехмерного моделирования, например в задаче обнаружения препятствий перед автономным мобильным роботом. Цель работы --- найти оптимальную конфигурацию такой системы для достижения наилучшей точности определения размеров наблюдаемых объектов, а также расстояний до них. С использованием аппарата аналитической геометрии, линейной алгебры и математического анализа разработана математическая модель подобной системы, учитывающая различные внутренние параметры и технические характеристики видеокамеры и источника подсветки, а также взаимное расположение и ориентацию камеры и источника. С использованием построенной математической модели получены уравнения, позволяющие оценить погрешность вычисления расстояний до детектированных объектов. Исследован вопрос оптимальной конфигурации подобных оптико-электронных систем, критерии оптимальности: минимизация погрешностей определения расстояния, наименьшая высота детектируемых объектов. Полученные теоретические результаты могут быть использованы в системах управления беспилотных аппаратов, неразрушающего контроля промышленных изделий и в дальнейших исследованиях оптико-электронных систем подобного типа

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Степанов Д.Н. Математическое моделирование и исследование оптимальных конфигураций триангуляционной оптико-электронной системы при подсветке пространства предметов одной полосой. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2022, № 1 (138), с. 119--134. DOI: https://doi.org/10.18698/0236-3933-2022-1-119-134

Литература

[1] Geng J. Structured-light 3D surface imaging: a tutorial. Adv. Opt. Photonics, 2011, vol. 3, iss. 2, pp. 128--160. DOI: https://doi.org/10.1364/AOP.3.000128

[2] Bradski G., Kaehler A. Learning OpenCV. O’Reilly Media, 2008.

[3] Zhang Z. A flexible new technique for camera calibration. IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., 2000, vol. 22, no. 11, pp. 1330--1334. DOI: https://doi.org/10.1109/34.888718

[4] Falcao G., Hurtos N., Massich J. Plane-based calibration of a projector-camera system. VIBOT Master, 2008, pp. 1--12.

[5] Sadlo F., Weyrich T., Peikert R., et al. A practical structured light acquisition system for point-based geometry and texture. Proc. Eurographics/IEEE VGTC Symp. Point-Based Graphics, 2005, pp. 89--145. DOI: https://doi.org/10.1109/PBG.2005.194069

[6] Audet S., Okutomi M. A user-friendly method to geometrically calibrate projector-camera systems. IEEE Computer Society Conf. on Computer Vision and Pattern Recognition Workshops, 2009, pp. 47--54. DOI: https://doi.org/10.1109/CVPRW.2009.5204319

[7] Zhang S., Huang P.S. Novel method for structured light system calibration. Opt. Eng., 2006, vol. 45, iss. 8, art. 083601. DOI: https://doi.org/10.1117/1.2336196

[8] Li Z., Shi Y., Wang C., et al. Accurate calibration method for a structured light system. Opt. Eng., 2008, vol. 47, iss. 5, art. 053604. DOI: https://doi.org/10.1117/1.2931517

[9] Pribanic T., Cifric I., Cifrek M., et al. Simplified light plane determination during structured light scanning. Automatika, 2006, vol. 47, no. 3-4, pp. 141--147.

[10] Давыденко Е.В., Приоров А.Л. Калибровка положения видеокамеры в задаче оптической лазерной триангуляции. Цифровая обработка сигналов, 2009, № 3, с. 16--20.

[11] Коротаев В.В., Джамийков Т.С., Нгуен Х.В. и др. Метод определения пространственных координат в активной стереоскопической системе. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2014, № 6 (94), с. 48--53.

[12] Garbat P., Skarbek W., Tomaszewski M. Structured light camera calibration. Opto-Electronics Review, 2013, vol. 21, iss. 1, pp. 23--38. DOI: https://doi.org/10.2478/s11772-013-0076-8

[13] Скворцов Б.В., Черных А.В., Малышева-Стройкова А.Н. Фотопроекционный метод измерения геометрических параметров объектов сложной формы. Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2016, т. 18, № 4-6, с. 1242--1249.

[14] Косова А.В., Попков А.И. Построение плана замкнутого пространства с использованием компьютерного зрения и структурированной подсветки. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники, 2015, № 2, с. 33--37.

[15] Степанов Д.Н. Новый способ калибровки активной оптической стереосистемы, состоящей из монокулярной камеры и структурированной подсветки в виде линии. Оптический журнал, 2020, т. 87, № 4, с. 52--60. DOI: https://doi.org/10.17586/1023-5086-2020-87-04-52-61