pimiПриборы и методы измеренийDevices and Methods of Measurements2220-95062414-0473BNTU10.21122/2220-9506-2017-8-3-96-106pimi-331Research ArticleМетоды измерений, контроля, диагностикиMethods of measurements, monitoring, diagnosticsУЧЕТ ВЛИЯНИЯ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОМЕРА НА ОСНОВЕ СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЙCONSIDERATION OF THE DESTABILIZING FACTORS INFLUENCE FOR INCREASING OF THE MEASUREMENTS ACCURACY OF A RANGEFINDER BASED ON STEREO IMAGESКозловВ. Л.KozlovV. L.

Адрес для переписки: Козлов В.Л. – Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, г. Минск 220050,   e-mail: KozlovVL@bsu.by

Address for correspondence: Kozlov V.L. – Belarusian State University, Nezavisimosty Ave., 4, Minsk 220050, Belarus   e-mail: KozlovVL@bsu.by

KozlovVL@bsu.byБелорусский государственный университетБеларусьBelarusian State UniversityBelarus20172709201783254262Copyright © Козлов В.Л., 20172017Козлов В.Л.Kozlov V.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://pimi.bntu.by/jour/article/view/331

Широкое использование цифровой фотосъемки обусловило значительный прогресс в развитии теории и методов восстановления трехмерной картины пространства по двумерным цифровым изображениям. Для решения задачи повышения точности измерений таких систем необходимо учитывать влияние ряда дестабилизирующих факторов. Целью данной работы являлась разработка методики учета и компенсации влияния дестабилизирующих факторов, таких как отклонение от горизонтальной линии положения камер стереопары, непараллельность оптических осей объективов, взаимный наклон фотоприемных матриц и искажения оптической системы стереокамеры для повышения точности измерений дальномера на основе корреляционного анализа стереоизображения.

Разработано программное приложение для анализа оптических искажений серийно выпускаемых объективов, позволяющее наглядно показать характер искажений и определить коэффициенты полинома, компенсирующего оптические искажения. Получено, что для стереофотокамеры Fujifilm FinePix Real 3D дисторсия цифрового изображения достигает величины ±20–35 пикселей на краях фотоприемной матрицы и неодинакова для первого и второго объективов. Различие в значениях оптических искажений обусловлены неодинаковым наклоном фотоприемной матрицы к оптической оси объектива. Экспериментально определенны полиномы, компенсирующие искажения оптической системы первого и второго объективов стереокамеры.

Получено выражение для расчета дальности до объекта по стереоизображению с учетом компенсации оптических искажений. Показано, что для повышения точности измерения расстояний определяющим фактором является не абсолютное значение дисторсии объективов, а разность вносимых оптических искажений объективов стереокамеры в зависимости от разности координат измеряемого объекта на фотоприемных матрицах. Экспериментальные исследования разработанной методики компенсации искажений показали уменьшение абсолютной погрешности измерений более чем на порядок при измерениях на расстояниях до 100 м. 

The wide using of digital photography has led to significant progress in the development of the theory and methods of restoring the three-dimensional space picture on base of two-dimensional digital images. To solve the problem of increasing the measurements accuracy of such systems, it is necessary to take into account the influence of a number of destabilizing factors. The aim of this work was development of technique for accounting and compensating of destabilizing factors influence, such as the deviation from the horizontal position line of the stereo pair lens, the non-parallelism of the lenses optical axes, the mutual inclination of the photo detector matrices, and the distortion of the stereo camera optical system for increasing of the measurements accuracy of rangefinder based on the correlation analysis of the stereo image.

A software application has been developed for analyzing the optical distortions of serially produced lenses, which allows to visually demonstrate the distortions nature and to determine the polynomial coefficients for compensating of the optical distortion.It is obtained that for the Fujifilm FinePix Real 3D stereo camera the distortion of the digital image reaches ± 20–35 pixels at the edges of the photo detective matrix and is not the same for the first and second lenses. The difference in the optical distortion values is due to the unequal slope of the photo detector matrix to the optical axis of the objective. Compensating polynomials for the optical system distortions of the first and second lenses of the stereo camera are experimentally determined.

The range object expression from the stereo images taking into account the optical distortion compensation is obtained. It is shown for increasing of the measurements accuracy, the determining factor is not the absolute value of the lenses distortion, but the difference in the optical distortions of the stereo camera lenses, depending on the difference of the measured object coordinates of the on the photo detective matrices. Experimental studies of the developed technique for distortions compensation showed a decrease of the absolute measurements error more than by an order of magnitude at distances up to 100 m. 

цифровое изображениестереокамерадисторсияфотоприемная матрицаdigital imagestereo cameradistortionphotodetector matrixReferencesШапиро, Л. Компьютерное зрение / Л. Шапиро, Д. Стокман. – М. : БИНОМ, 2006. – С. 752.Shapiro, L. Computer vision / L. Shapiro, D. Stockman – Moscow: BINOM, 2006. – 752 p.Золотухин, Д.А. Реконструкция и фильтрация трехмерной формы микрообъекта по стереопаре изображений с параллельной проекцией / Д.А. Золотухин, И.В. Сафонов, К.А. Крыжановский // Механика, управление и информатика. – 2012. – Т. 9, № 9. – С. 174–179.Zolotukhin, D.A. Reconstruction and filtration of a three-dimensional shape of a microobject by a stereopair of images with a parallel projection. Zolotukhin, I.V. Safonov, K.A. Kryzhanovsky // Mechanics, management and informatics. – 2012. – V. 9, No. 9. – P. 174-179. (in Russian)Форсайт, Д. Компьютерное зрение. Современный подход / Д. Форсайт, Ж. Понс. – М. : Вильямс, 2004. – 928 с.Forsythe, D. Computer vision. Modern approach / D. Forsythe, J. Pons. Moscow: Williams, 2004. – 928 p.Hartley, R.I. Theory and practice of projective rectification / R.I. Hartley // International Journal of Computer Vision. – 1999. – Vol. 35, no. 2. – P. 115–127.Hartley, R.I. Theory and practice of projective rectification / R.I. Hartley // International Journal of Computer Vision. – 1999. – Vol. 35, № 2. – P. 115–127, doi: 10.1023/A:1007957826135.Zhang, Z. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures / Z. Zhang, Y. Matsushita, Y. Ma // Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2011 IEEE Conference. – 2011. – P. 2321–2328.Zhang, Z. Camera calibration with lens distortion from low-rank textures / Z. Zhang, Y. Matsushita, Y. Ma // Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), 2011 IEEE Conference. 2011. P. 2321-2328 DOI: 10.1109/ CVPR.2011.5995548.Alemán-Flores, M. Automatic Lens Distortion Correction Using One-Parameter Division Models / M. AlemánFlores, L. Alvarez, L. Gomez, D. Santana-Cedres // Image Processing On Line. – 2014. – Vol. 4. – P. 327–343. doi: 10.1007/s10851-012-0342-2.Alemán-Flores, M. Automatic Lens Distortion Correction Using One-Parameter Division Models / M.AlemánFlores, L. Alvarez, L. Gomez, D. Santana-Cedres // Image Processing On Line. 2014. Vol. 4. P. 327-343., doi: 10.1007/s10851-012-0342-2.Бугаенко, Е.И. Способ автоматического определения и коррекции радиальной дисторсии на цифровых изображениях / Е.И. Бугаенко, М.И. Труфанов // Изв. вузов. Приборостроение. – 2008. – Т. 51, № 2. – С. 16–22.Bugaenko, EI A method for automatic detection and correction of radial distortion on digital images / EI Bugaenko, MI Trufanov // Izv. Universities. Instrument making. – 2008. – V. 51, No. 2. – P. 16-22. (in Russian)Способ измерения расстояний на цифровой фотокамере: патент № 2485443 Российской Федерации / В.Л. Козлов. – 2013. – Бюл. № 17.Method for measuring distances on a digital camera: patent 2485443 Russian Federation, / VL Kozlov. – 2013. – Bul. No. 17.Способ определения расстояния до объекта посредством цифровой фотокамеры: патент № 18666 Республика Беларусь / В. Л. Козлов. – 2014. – № 5. – С. 95.Method for determining the distance to the object through a digital camera: pat. 18666 Rep. Belarus, / V.L. Kozlov; – 2014. – No. 5. – P. 95.Titov, D.V. Correction Device of Distortion / D.V. Titov, T.A. Shirabakina // Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems. Proc. 5th Int. Conf. Spain. – 2007. – P. 122–124.Titov D. V., Shirabakina T. A. Correction Device of Distortion // „Information and Telecommunication Technologies in Intelligent Systems". Proc. 5th Int. Conf. Spain, 2007. – P. 122–124.Кунина, И.А. Слепая компенсация радиальной дисторсии на одиночном изображении с использованием быстрого преобразования Хафа / И.А. Кунина, С.А. Гладилин, Д.П. Николаев // Компьютерная оптика. – 2016. – Т. 40, № 3. – С. 395–403.Kunina, I.A. Blind compensation of radial distortion on a single image using a fast Hafa transformation. Kunina, S.A. Gladilin, D.P. Nikolaev // Computer Optics. – 2016. – V. 40, No. 3. – P. 395-403. (in Russian)Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений / Р. Гонсалес, Р. Вудс. – М. : Техносфера, 2005. – 1072 с.Gonzalez, R. Digital image processing / R. Gonzalez, R. Woods. – Moscow: Technosphere, 2005. – 1072 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.