Экспериментальное моделирование системы регистрации объектов космического пространства

Статья посвящена отработке лабораторного макета бортовой системы регистрации пылевых частиц космического пространства, объектов космического мусора, метеоритов и параметров их движения [1]. Система состоит из трех видеокамер, установленных на базовом расстоянии друг от друга таким образом, что одноименные строки видеокамер расположены вдоль одной линии [2]. Принцип работы системы основан на стереоскопическом эффекте, причем для снижения количества ошибок совмещения при большом количестве объектов применяется третья камера для лучшей идентификации объектов в видеоряде.

Экспериментальный стенд состоит из трех камер, при этом стенд обеспечивает следующие регулировки камер:

• 1)    поворот каждой камеры вокруг своей оптической оси;

• 2)    поворот каждой камеры вокруг центра матрицы данной камеры в плоскости база – оптическая ось;

• 3)    поворот каждой камеры вокруг центра матрицы данной камеры в плоскости оптическая ось – перпендикуляр к базе.

Изготовленный стенд (рис. 1) в качестве базовой поверхности использует алюминиевый уголок, на котором на стальных опорных шариках диаметром 5 мм установлены платформы камер (рис. 2).

Отверстия для шариков в уголке были выполнены на станке с ЧПУ, в платформах для шарика, регулировочных и крепежных винтов – на сверлильном станке одновременно во всех платформах, сложенных в пакет. Камеры A4Tech PK-333E устанавливаются на платформы врас-пор между крепежными винтами (на фотографии без головок) и фиксируются гайками. Таким образом, базовое расстояние камер определяется точностью станка с ЧПУ, люфтами крепежных винтов камер в платформах и точностью установки ПЗС-матрицы в корпусе камеры.

Для проведения настройки камер применяется мира, установленная на определенном расстоянии от камер параллельно базе системы, причем напротив каждой матрицы расположены метки.

Настройка камер производится с помощью регулировочных винтов, чем достигается параллельность плоскости изображения камер со строками и столбцами миры (винт 1), винтами 2 и 3 центр изображения совмещается с соответствующей меткой миры, эскиз которой показан на рис. 3.

Необходимо отметить, что настройка системы предполагает точную установку миры относительно базовых поверхностей системы:

• -    параллельность базы системы с плоскостью миры, а также с ее горизонтальными элементами;

• -    перпендикулярность горизонтальных и вертикальных элементов миры.

Параллельность миры с плоскостью изображений достигается регулировкой камер, что приводит к параллельности плоскостей матриц базе и друг другу.

Рис. 2. Фотография платформы сбоку

Рис. 3. Эскиз миры. Различными линиями обозначены поля зрения камер, цифрами – номера камер

Рис. 1. Фотография стенда (цифрами отмечены регулировочные винты)

Допуска на установку элементов следуют из расчета разрешения по соответствующим координатам. Так, при дальности до миры 2 метра допуск на параллельность базы и миры – 8 мм (половина от разрешения по оси ОZ на расстоянии 2 м), перпендикулярности элементов миры – 0,86 мм (половина от разрешения в плоскости XOY ), на расстоянии 5 м – 52,4 мм и 2,14 мм соответственно. При увеличении расстояния увеличиваются и размеры миры в связи с необходимостью покрытия всего поля зрения камер (рис. 4).

При размере элемента ПЗС 6 мкм получаем размер элемента (наименьшего квадрата) миры, исходя из проекции пикселя 2,33 мм и 5,83 мм. Для удобства использования размер квадрата можно увеличить до 5 раз (11,67 и 29,2 мм) и с учетом этого контролировать изображение квадрата в пяти пикселях.

Структурная схема стенда показана на рис. 5. При этом необходимо учитывать, что видеокамеры должны быть подключены к разным кор-

Рис. 4. Эскиз системы с мирой

Рис. 5. Структурная схема стенда невым концентраторам (то есть на ПК должны быть доступны 3 корневых USB-концентратора).

Обработка данных, поступающих с камер, проводилась с помощью специально разработанного ПО на языке С в среде Microsoft Visual C++ 2010 с применением библиотек Open C V и VideoInput [3].

Для проведения настройки стенда необходим попиксельный контроль изображения с целью установки камер точно в соответствии с изображением миры. Настройка положения камер производится в интерактивном режиме по увеличенному изображению центральных частей поля зрения (на рис. 6 показано слева в трех окнах). На изображение наносятся технологические линии, позволяющие проводить настройку – пересечением линий по центру обозначен физический центр изображения (точка с координатами (320, 240) пикселей), который выставляется по соответствующей фигуре миры, линии изображения – по линиям миры. На рис. 6 справа показан общий вид миры с камеры 2, а также настроечное окно, позволяющее просматривать все изображения камер в увеличенном масштабе с помощью перемещения ползунков.

Рис. 6. Процесс настройки видеокамер

Рис. 7. Установка устройства для замера координат объектов

Рис. 8. Исходные изображения и их разность

Рис. 9. Отсеивание шумовых элементов (показано в инверсном изображении для наглядности)

На изображениях видно, что качество картинки понижено сжатием. В связи с этим точная настройка довольно затруднительна, что надо учитывать в алгоритмах обработки.

Для проведения проверки работы системы в качестве объектов исследования использовалась светодиодная гирлянда. Гирлянда устанавливалась в поле зрения камер на определенном расстоянии. Координаты лампочек замерялись относительно специально установленного устройства (рис. 7), ориентированного по изображению центральной камеры – правая грань вертикального элемента отображается в столбце 320, верхняя грань горизонтального элемента – в строке 240.

Обработка результатов экспериментов

Изображения с камер представляют собой двумерные массивы данных, с которыми можно проводить операции. При этом данные изображения содержат много лишней информации (фон). Для исключения неинформативного фона необходимо провести вычитание последующего кадра изображения (полученного после включения гирлянды) из предыдущего. В результате получаем разностное изображение.

На рис. 8 видно, кроме следа от ламп, еще и изображение провода и окружающих предметов, которые также изменили свою светимость при включении ламп. Эти изображения являются помехой в данном случае и могут быть отсеяны по уровню (см. рис. 9).

Проведенные простые операции резко сократили объем информации для последующей обработки. В то же время изображения объектов все еще занимают несколько десятков пикселей, и их совмещение в изображениях трех камер представляет определенные трудности. Для выхода из данного положения применена процедура библиотеки OpenCV – c vFindContours . С помощью данной библиотеки были определены границы контуров объектов, центры данных контуров и радиусы описанных окружностей. Данная обработка дала возможность привязать объекты к определенному пикселю изображения и проводить совмещение изображений с камер на основе предлагаемой в [1] эпиполярной геометрии.

Были использованы видеокамеры и неподвижно висящая гирлянда с лампами на различном расстоянии от камер. Координаты лампочек приведены в таблице ниже.

Камера 1

Камера 2

Камера 3

Рис. 10. Изображения для расчета положения объектов

Рис. 11. Изображения со второй камеры с рассчитанными координатами объектов

Отснятые изображения приведены на рис. 10.

Эти изображения были обработаны следующим образом: найдены разностные изображения с фоновыми, на полученных изображениях определены контуры объектов, радиусы описанных окружностей, а также их центры. На рис. 10 линиями и окружностями обозначены обнаруженные объекты.

В верхней части рис. 11 приведено два числа – количество объектов в изображении камеры 2 и количество найденных трехмерных объ- ектов. Разница объясняется сдвигом поля зрения камер, что приводит к отсутствию в изображении камеры 1 объектов, видимых камерой 3, и наоборот. В связи с этим для расчета трехмерных координат отбираются только объекты, видимые всеми тремя камерами.

Работа проводилась на компьютере с че-тырехядерным процессором Intel i7 частотой 3,2 МГц и ОЗУ 2,8 ГБ. При этом наблюдались явные «зависания» при обработке изображений с падением частоты кадров до 1 в секунду от исходных 30 кадров.

В результате работы алгоритма расчета положения получены координаты объектов, приведенные в таблице ниже.

Проведенный эксперимент наглядно показывает работоспособность системы. Полученные при обработке результатов погрешности объясняются неточностью измерения координат в связи с большим размером объекта (светодиод), кроме того, по оси ОZ дополнительно влияет методическая погрешность [4]. При этом явно видно, что быстродействия современного компьютера существенно недостаточно для проведения измерений в реальном времени. Необходим перенос определенных алгоритмов на аппаратный уровень.

Таблица

Измеренные, расчетные координаты объектов и ошибки измерения

№	Y изм , см	Y расч , см	∆ X , см	∆ X , ^	Y изм , см	у расч , см	∆ Y , см	∆ Y , ^	7. изм , см	7. расч , см	∆ Z , см	∆ Z , ^
1	–28,4	–29,1	0,7	–2,3	–19,5	–19,3	–0,2	1,0	101,8	107,0	–5,2	–5,1
2	–21,5	–21,1	–0,4	1,7	–16,8	–15,6	–1,2	7,3	95,6	95,2	0,4	0,4
3	–14,7	–14,2	–0,5	3,6	–14,1	–12,8	–1,3	9,2	91,1	87,8	3,3	3,6
4	–7,3	–6,8	–0,5	7,1	–10,0	–9,4	–0,6	5,8	85,1	80,6	4,5	5,3
5	–0,3	–0,3	0,0	–0,2	–6,7	–6,4	–0,3	5,1	80,1	76,3	3,8	4,7
6	6,7	6,7	0,0	0,1	–3,3	–3,6	0,2	–6,8	73,2	70,1	3,1	4,3
7	58,0	58,6	–0,6	–1,0	24,5	24,0	0,5	2,0	257,0	254,0	3,0	1,2