В настоящее время число дальнометрических изображений (ДИ), находящихся в открытом доступе, по-прежнему очень ограниченно. Основными причинами этого являются новизна технологий времяпролетных камер и специфика форматов, генерируемых ими ДИ.

Экспериментальная установка

Для экспериментального получения ДИ ВП была разработана установка. Аппаратное обеспечение установки (рис.1, а) включает промышленную времяпролетную камеру O3D201 производства компании IFM (рис.1, б), персональный компьютер, источник питания и штатив. Камера O3D201 основана на технологии Photonic Mixer Device (PMD) [2, 4-6].

Рис.1 (а) Общий вид экспериментальной установки; (б) вид PMD-камеры O3D201

Программное обеспечение установки было разработано с использованием библиотек XML-RPC и OpenCV [6]. В результате созданное приложение обеспечивает настройку всех доступных параметров PMD-камеры, а также получение, визуализацию и сохранение изображений с заданной частотой в любом из поддерживаемых камерой форматов.

Результаты натурных экспериментов

С помощью представленной установки были выполнены натурные эксперименты по получению ДИ ВП в различных условиях внешней среды. Условия некоторых из них и примеры соответствующих ДИ ВП в формате облака точек показаны на рис.2 [6].

Рис.2. Условия натурных экспериментов: (а) высота волн менее 0,05 м; (б) высота волн 0,1-0,2 м; (в) высота волн до 0,5 м; (г-е) примеры соответствующих ДИ в формате облака точек (показаны только валидные пиксели)

В результате анализа полученных ДИ ВП был сделан вывод об эффективности применения времяпролетных камер для определения высоты положения объекта относительно ВП при волнении ВП, по крайней мере, до 3 баллов по шкале Дугласа (высота волн до 0,5 м) [7].

Отдельно необходимо отметить, что эксперимент, показанный на рис.2, в, проводился в условиях интенсивного солнечного освещения. Несмотря на это, полученные ДИ ВП (см. рис.2, е) позволяют извлекать оценку дальности до ВП, однако требуют применения дополнительных процедур фильтрации.

Измерение угловой ориентации и параметров волнения ВП

В процессе анализа полученных ДИ ВП было установлено, что направление радиус-вектора центра масс облака точек, построенного из валидных пикселей ДИ, является близким к направлению перпендикуляра, опущенного из начала отсчета связанной системы координат PMD-камеры на ВП. Вследствие этого был сделан вывод о возможности определения угловой ориентации PMD-камеры относительно ВП с помощью обработки и анализа ДИ ВП.

Кроме того, было установлено, что при изменении параметров волнения ВП наблюдается существенное изменение вида фиксируемых ДИ (см. рис.2, г-е). Данный факт позволил сделать вывод о возможности использования ДИ ВП, генерируемых PMD-камерой, для определения параметров волнения ВП (генерального направления распространения волн, балльности волнения и др.).

Алгоритм определения пространственного положения объекта

На основе анализа последовательностей ДИ ВП, полученных в различных условиях, был предложен алгоритм определения пространственного положения PMD-камеры и объекта. Основные этапы алгоритма перечислены ниже. Предполагается, что связанные системы координат PMD-камеры и объекта совпадают.

Этап 1. Настройка выдержки и получение ДИ ВП.

Этап 2. Сравнение числа валидных пикселей ДИ с пороговым значением.

Этап 3. Удаление ошибочных валидных пикселей, содержащих оценки дальности, отличающиеся от действительных в несколько раз.

Этап 4. Получение логического изображения (валидным пикселям присваивается значение 1, невалидным пикселям - значение 0) [2, 8].

Этап 5. Морфологическая обработка логического изображения [2, 8].

Этап 6. Выделение областей интереса и определение индексов принадлежащих им пикселей.

Этап 7. Извлечение значений пикселей исходных ДИ по индексам, найденным на предыдущем этапе.

Этап 8. Вычисление оценки высоты PMD-камеры по значениям полученного множества пикселей (модуль радиус-вектора, определяющего положение центра масс облака точек, построенного из валидных пикселей ДИ в формате облака точек; взвешенное среднее значение валидных пикселей ДИ в формате радиальных дальностей и др.) [2, 6, 8].

Этап 9. Вычисление угловой ориентации PMD-камеры [2, 3, 6].

Этап 10. Фильтрация результатов для повышения точности оценки. Возможно применение различных видов дискретных фильтров. В процессе исследования использовался дискретный фильтр Калмана [9].

Калибровка времяпролетных камер

При выполнении натурных экспериментов использовались результаты исключительно заводской калибровки PMD-камеры. Между тем, необходимо отметить, что в последнее время интенсивно разрабатываются методы дополнительной калибровки времяпролетных камер, позволяющие существенно повысить точность измерений [10-11]. Авторами данного доклада исследуется целесообразность повышения точности определения пространственного положения объекта вблизи ВП с помощью дополнительной фотограмметрической калибровки PMD-камер.

Заключение