Имитационная модель оценки погрешности системы технического зрения

Abstract

Актуальность исследования обусловлена назревшей необходимостью разработки модели оценки точности определения пространственного положения объектов, а также отслеживания положения и движения их границ системой технического зрения, которая в составе автоматизированных комплексов может применяться при проведении различных геодезических работ, для маркшейдерского обеспечения подземного строительства, 3D-реконструкции ландшафта поверхности земли, картографировании местности, при выполнении работ в горной промышленности, а также обслуживании крупногабаритных и протяжённых объектов. Особенно актуально применение систем технического зрения, позволяющих осуществлять пространственные измерения, в тех случаях, когда традиционные лазерные средства не обеспечивают высокую эффективность, например, из-за высокой степени рассеивания или наоборот поглощения лазерного излучения поверхностью наблюдаемого объекта или его малыми угловыми размерами. Цель: оценить геометрию измерительного пространства и определить закономерности распределения погрешности измерений в её границах. Постановка задачи: разработка имитационной модели, обеспечивающей с учётом технических данных камер, их взаимных положения и ориентации, а также влияния на измерительный процесс случайных составляющих, возникающих как в процессе сборки системы, так и при её эксплуатации, реконструкция формы и размеров измерительного пространства, а также визуализация распределения погрешностей измерения координат объектов. Методы: метод математического моделирования. Новизна разработанной модели характеризуется тем, что в ней впервые была реализована возможность оценивания распределения ошибок определения координат системой технического зрения по всей глубине её измерительного пространства. При моделировании нет ограничений по взаимному положению камер и обязательной их однотипности. В модели впервые учитываются случайные погрешности, связанные как с определением взаимной ориентации положения камер, так и с неточностями при их изготовлении, а также возможностями применённой методики калибровки системы. Результат. Приведены результаты анализа известных из уровня науки и техники моделей оценки погрешности определения трёхмерных координат объектов системой технического зрения, показаны их недостатки. Раскрыта сущность и основные этапы преобразований при разработке модели оценки погрешностей определения координат объектов и их распределения по измерительному пространству системой технического зрения. Выводы. Модель на основе множества внешних и внутренних параметров камер, а также с учётом ожидаемых случайных погрешностей при сборке и настройке измерительной системы позволяет оценивать погрешность определения координат объектов и геометрию измерительного пространна. Представленная модель позволяет оценивать точность определения пространственных координат объектов, положения и движения их границ при применении систем технического зрения в составе геодезических автоматизированных измерительных комплексов. Кроме этого, применение данной модели даёт возможность оптимизировать процесс формулирования технических требований к видео- или фотокамерам и их взаимному положению в процессе проведения измерений.

The relevance of the study is caused by the urgent need to develop a model for assessing the accuracy of determining the spatial position of objects, as well as tracking the position and movement of their boundaries by a computer vision system, which, as part of automated systems, can be used when carrying out various geodetic works, for surveying support of underground construction, 3D reconstruction of the surface landscape land, terrain mapping, when performing work in the mining industry, as well as servicing large and extended objects. It is especially important to use computer vision systems that allow spatial measurements in cases where traditional laser means do not provide high efficiency, for example, due to a high degree of scattering or, conversely, absorption of laser radiation by the surface of the observed object or small angular dimensions. Purpose: assessment of the measurement space geometry and determine the distribution patterns of the measurement accuracy within its boundaries. Problem statement: development of a simulation model that provides reconstruction of the form and dimensions of the measurement space and visualization of the distribution of measurement accuracy of coordinates of objects, taking into account the technical data of the cameras, their relative positions and orientations, as well as the influence on the measuring process of random components arising both during the assembly of the system and during its operation. Methods: mathematical model method. The novelty of the developed model is characterized by the fact that it was the first one to realize the possibility of estimating the distribution of errors in determining coordinates by the technical vision system over the entire depth of its measuring space. When modeling, there are no restrictions on the relative position of the cameras and their obligatory uniformity. For the first time, the model takes into account random errors associated with both the determination of the relative orientation of the position of the cameras, and with inaccuracies in their manufacture, as well as the capabilities of the applied system calibration method. Results. The paper introduces the results of the analysis of models known from the level of science and technology for assessing the accuracy in determining the three-dimensional coordinates of objects by the technical vision system, their disadvantages are shown. The essence and main stages of transformations in the development of the model for assessing the accuracy in determining the coordinates of objects and their distribution over the measuring space by the computer vision system are disclosed. Conclusions. The model based on the set of external and internal parameters of the cameras, as well as taking into account the expected random errors in the assembly and adjustment of the measuring system, makes it possible to estimate the accuracy in determining the coordinates of objects and the geometry of the measuring space. The presented model makes it possible to evaluate the accuracy of determining the spatial coordinates of objects, the position and movement of their boundaries when using computer vision systems as part of geodetic automated measuring systems. In addition, the use of this model makes it possible to optimize the process of formulating technical requirements for video or cameras and their relative position in the course of measurements.