Математична модель похибок вимірювання міжкадрового зсуву вимірювальної мітки на об’єкті спостереження по відео з web-камери

Олександр Євгенович Горшенін; Михайло Олександрович Горшенін

doi:10.26642/ten-2025-1(95)-357-372

Автор(и)

Олександр Євгенович Горшенін Державний університет "Житомирська політехніка", Україна https://orcid.org/0009-0005-8946-3339
Михайло Олександрович Горшенін Державний університет "Житомирська політехніка", Україна

DOI:

https://doi.org/10.26642/ten-2025-1(95)-357-372

Ключові слова:

датчик дистанційного вимірювання, похибки вимірювання просторового положення, цифрове зображення, кадр відеопотоку, web-камера, матричний CMOS світлоприймач, об’єктив, радіометричні розрахунки, лінійні викривлення на зображеннях, кореляційна обробка сигналів, об’єкт управління, космічна радіолінія, антенна система

Анотація

У статті описано та досліджено математичну модель похибок для оцінювання потенційної точності вимірювання зміни просторового положення вимірювальної мітки об’єкта автоматичного управління по сусідніх кадрах відеопотоку з відеокамери, що спостерігає мітку на об’єкті. Розглядається випадок, коли web-відеокамера встановлена на відстані порядку десятків сантиметрів від вимірювальної мітки. Міткою є лімб поворотного механізму наземної антенної системи космічної радіолінії зв’язку X-діапазону. За змінами положення зображення на сусідніх кадрах відеопотоку вимірюється зсув шкали лімба. Зсув розраховується шляхом обчислення положення максимуму взаємної кореляційної функції сигналу відповідних рядків сусідніх кадрів. Зсув шкали перераховується у зміну кутового положення антени.

Наведено математичні залежності для оцінювання потенційно досяжної точності вимірювання зміни положення вимірювальної мітки залежності від умов спостереження. Розрахунок для дешевої web-відеокамери необхідних даних про максимально припустиму освітленість елементів матриці та СКВ шуму у напрузі сигналу, які не зазначаються у документах виробника, проведений за оригінальною методикою.

У статті наведено міркування щодо використання міжрядкового накопичення відеосигналу від мітки, що являє собою вертикальні риски лімба. Зроблений висновок, що таке накопичення за умови гарного штучного освітлення не є доцільним з причини зростання математичного сподівання флуктуаційних шумів матриці.

Наводяться приклади розрахунків для відеокамери, що спостерігає азимутальний лімб опорно-поворотного пристрою антенної системи наземної станції космічної радіолінії зв’язку. Для розглянутої конструкції безконтактного датчика на основі дешевої web-відеокамери розраховано оцінку потенційної похибки повороту антени, що складає трохи більше 0,2 кутових секунд. Вплив на оптичний сигнал шару повітря між камерою та міткою, вібрації, похибки механізму повороту та спектральні розбіжності відеосигналу не враховувалися. Стаття може стати в нагоді конструкторам оптико-електронних приладів для дистанційного безконтактного вимірювання просторового положення об’єктів.

Посилання

Gonzalez, R.C. and Woods, R.E. (2018), Digital Image Processing, 4th edition, Pearson Education Limited, 1022 p.

Forsyth, D. and Ponce, J. (2011), Computer Vision: A Modern Approach, 2nd edition, Pearson Education, 800 p.

Jeahne, B. (2004), Practical Handbook on Image Processing for Scientic and Technical Applications, 2nd edition, CRC Press LLC, 571 p.

Gorshenin, O., Dubyna, O., Kondratenko, S. and Boloban, S. (2007), Tsyfrova obrobka zobrazhen ta osnovy fotohrammetrii, in Horshenin, O.Ye. (ed.), navch. posib., ZhVIRE, Zhytomyr, 240 р.

Horshenin, O.Ye. (2024), «Bezkontaktnyi datchyk kutovoho polozhennia oporno-povertalnoho prystroiu vuzkospriamovanoi anteny», Informatsiino-kompiuterni tekhnolohii, tezy ХIV Mizhnarodnoi naukovo-tekhnichnoi konferentsii, 28–29 bereznia, Zhytomyrska politekhnika, Zhytomyr, рр. 178–179.

Podchashynskyi, Yu.O. (2013), «Heometrychni pokhybky vyznachennia koordynat vyrobiv za yikh tsyfrovymy videozobrazhenniamy v avtomatyzovanykh systemakh», Visnyk ZhDTU. Seriia. Tekhnichni nauky, No. 4 (67), рр. 70–77.

Podchashynskyi, Yu.O. (2009), «Pidvyshchennia tochnosti vymiriuvan parametriv obertovoho rukhu na osnovi alhorytmichnoi obrobky dvovymirnoi vymiriuvalnoi informatsii», Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 1, No. 3 (37), рр. 17–22, [Online], available at: https://journals.uran.ua/eejet/article/view/3083

Podchashynskyi, Yu.O., Chepiuk, L.O., Chepiuk, V.V. et al. (2023), «Analitychnyi ohliad prohramno-alhorytmichnykh metodiv obrobky vymiriuvalnoi informatsii pro heometrychni parametry obiektiv na zobrazhenniakh», Tekhnichna inzheneriia, No. 2 (92), рр. 191–198, doi: 10.26642/ten-2023-2(92)-191-198.

Bezvesilna, O.M. and Podchashynskyi, Yu.O. (2018), «Vystavlennia prostorovoho polozhennia chutlyvoho elementu navihatsiinoi systemy na osnovi tsyfrovykh video zobrazhen», Elektronnyi arkhiv ZhDTU. Prykladni naukovo-doslidni roboty, [Online], available at: https://eztuir.ztu.edu.ua/handle/123456789/7482

Bilynskyi, Y.Y. and Sukhotska, I.V. (2015), «Alhorytm vyznachennia ta kontroliu heometrychnykh parametriv malohabarytnykh obiektiv skladnoi formy shliakhom subpikselnoi obrobky yikh zobrazhen», Metody ta prylady kontroliu yakosti, No. 1 (34), рр. 71–77.

Podchashynskyi, Y., Luhovykh, O., Tsyporenko, V. and Tsyporenko, V. (2021), «Devising a method for measuring the motion parameters of industrial equipment in the quarry using adaptive parameters of a video sequence», Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, Vol. 6, No. 9 (114), рр. 32–46, doi: 10.15587/1729-4061.2021.248624.

Korobiichuk, I. and Podchashinskiy, Yu. (2021), «Correlation mathematical model of video images with measuring information about geometrical parameters», 25th International Conference on Methods and Models inAutomation and Robotics (MMAR), 23–26 Aug., рр. 59–63, [Online], available at: https://ieeexplore.ieee.org/document/9528487

Bornert, M., Brémand, F., Doumalin, P. et al. (2008), «Assessment of digital image correlation measurement errors: methodology and results», Experimental mechanics, Vol. 49, рр. 353–370.

VIC-3D – Correlated Solutions Digital Image Correlation, [Online], available at: https://www.correlatedsolutions.com/vic-3d

Список використаної літератури:

Gonzalez R.C. Digital Image Processing / R.C. Gonzalez, R.E. Woods. – 4th edition. – Pearson Education Limited, 2018. – 1022 p.

Forsyth D. Computer Vision: A Modern Approach / D.Forsyth, J.Ponce. – 2nd edition. – Pearson Education, 2011. – 800 p.

Jeahne B. Practical Handbook on Image Processing for Scientic and Technical Applications / B.Jeahne. – 2nd edition. – CRC Press LLC, 2004. – 571 p.

Горшенін О. Цифрова обробка зображень та основи фотограмметрії : навч. посіб. / О.Горшенін, О.Дубина, С.Кондратенко, С.Болобан ; за ред. О.Є. Горшеніна. – Житомир : ЖВІРЕ, 2007. – 240 с. (2007).

Горшенін О.Є. Безконтактний датчик кутового положення опорно-повертального пристрою вузькоспрямованої антени / О.Є. Горшенін // Інформаційно-комп’ютерні технології : тези ХІV Міжнародної науково-технічної конференції, 28–29 березня. – Житомир : Житомирська політехніка, 2024. – С. 178–179.

Подчашинський Ю.О. Геометричні похибки визначення координат виробів за їх цифровими відеозображеннями в автоматизованих системах / Ю.О. Подчашинський // Вісник ЖДТУ. Серія : Технічні науки. – 2013. – № 4 (67). – С. 70–77.

Подчашинський Ю.О. Підвищення точності вимірювань параметрів обертового руху на основі алгоритмічної обробки двовимірної вимірювальної інформації / Ю.О. Подчашинський // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2009. – Vol. 1, № 3 (37). – P. 17–22 [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://journals.uran.ua/eejet/article/view/3083.

Аналітичний огляд програмно-алгоритмічних методів обробки вимірювальної інформації про геометричні параметри об’єктів на зображеннях / Ю.О. Подчашинський, Л.О. Чепюк, В.В. Чепюк та ін. // Технічна інженерія. – 2023. – № 2 (92). – С. 191–198. DOI: 10.26642/ten-2023-2(92)-191-198.

Безвесільна О.М. Виставлення просторового положення чутливого елементу навігаційної системи на основі цифрових відео зображень / О.М. Безвесільна, Ю.О. Подчашинський // Електронний архів ЖДТУ. Прикладні науково-дослідні роботи. – 2018 [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://eztuir.ztu.edu.ua/handle/123456789/7482.

Білинський Й.Й. Алгоритм визначення та контролю геометричних параметрів малогабаритних об’єктів складної форми шляхом субпіксельної обробки їх зображень / Й.Й. Білинський, І.В. Сухоцька // Методи та прилади контролю якості. – 2015. – № 1 (34). – С. 71–77.

Devising a method for measuring the motion parameters of industrial equipment in the quarry using adaptive parameters of a video sequence / Y.Podchashynskyi, O.Luhovykh, V.Tsyporenko, V.Tsyporenko // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – Vol. 6, No. 9 (114). – P. 32–46. DOI: 10.15587/1729-4061.2021.248624.

Korobiichuk I. Correlation mathematical model of video images with measuring information about geometrical parameters / I.Korobiichuk, Y.Podchashinskiy // 25th International Conference on Methods and Models inAutomation and Robotics (MMAR), 23–26 Aug. – 2021. – P. 59–63 [Electronic resource]. – Access mode : https://ieeexplore.ieee.org/document/9528487.

Assessment of digital image correlation measurement errors: methodology and results / M.Bornert, F.Brémand, P.Doumalin and other // Experimental mechanics. – 2008. – Vol. 49. – P. 353–370.

VIC-3D – Correlated Solutions Digital Image Correlation [Electronic resource]. – Access mode : https://www.correlatedsolutions.com/vic-3d.