eng
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
Выпуск #1/2022
Н. О. Старосотников, Р. В. Федорцев
Точность определения элементов внутреннего ориентирования оптико-электронных аппаратов различными способами формирования эталонной связки векторов
Точность определения элементов внутреннего ориентирования оптико-электронных аппаратов различными способами формирования эталонной связки векторов
Просмотры: 2089
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.1.60.74
В статье описаны методики геометрической калибровки оптико-электронных аппаратов (ОЭА) и способы повышения ее точности. Результаты применяются для геометрической калибровки ОЭА дистанционного зондирования Земли, оптическая система которых сфокусирована на бесконечность, а изображение формируется путем «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. Для расширения технологических возможностей калибровочной аппаратуры предложено использовать для формирования тест-объекта цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое позволяет создавать практически любую форму и размер рисунка тест-объекта под задачи калибровки ОЭА. Проведена геометрическая калибровка макета многоматричного ОЭА с помощью разных способов формирования эталонной связки векторов: последовательного проецирования теодолитом перекрестия сетки на фокальную плоскость макета ОЭА, тест-объектами в виде массива точек изготовленного методом литографии на стеклянной подложке и тест-объектом, сформированным DMD-устройством. Описаны особенности математической обработки для каждого способа формирования эталонной связки векторов. Проведена оценка погрешности геометрической калибровки макета ОЭА, выполненной при различных способах задания эталонной связки векторов: при использовании теодолита – 0,48"; массива точек на стеклянной подложке – 0,21" и сформированного DMD – 0,09".
В статье описаны методики геометрической калибровки оптико-электронных аппаратов (ОЭА) и способы повышения ее точности. Результаты применяются для геометрической калибровки ОЭА дистанционного зондирования Земли, оптическая система которых сфокусирована на бесконечность, а изображение формируется путем «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. Для расширения технологических возможностей калибровочной аппаратуры предложено использовать для формирования тест-объекта цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое позволяет создавать практически любую форму и размер рисунка тест-объекта под задачи калибровки ОЭА. Проведена геометрическая калибровка макета многоматричного ОЭА с помощью разных способов формирования эталонной связки векторов: последовательного проецирования теодолитом перекрестия сетки на фокальную плоскость макета ОЭА, тест-объектами в виде массива точек изготовленного методом литографии на стеклянной подложке и тест-объектом, сформированным DMD-устройством. Описаны особенности математической обработки для каждого способа формирования эталонной связки векторов. Проведена оценка погрешности геометрической калибровки макета ОЭА, выполненной при различных способах задания эталонной связки векторов: при использовании теодолита – 0,48"; массива точек на стеклянной подложке – 0,21" и сформированного DMD – 0,09".
Теги: calibration digital micromirror device earth remote sensing elements of interior orientation optoelectronic device photodetector дистанционное зондирование земли калибровка оптико-электронный аппарат фотоприемник цифровое микрозеркальное устройство элементы внутреннего ориентирования
Точность определения элементов внутреннего ориентирования оптико-электронных аппаратов различными способами формирования эталонной связки векторов
Н. О. Старосотников, Р. В. Федорцев
ОАО «Пеленг», Минск, Республика Беларусь
Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь
В статье описаны методики геометрической калибровки оптико-электронных аппаратов (ОЭА) и способы повышения ее точности. Результаты применяются для геометрической калибровки ОЭА дистанционного зондирования Земли, оптическая система которых сфокусирована на бесконечность, а изображение формируется путем «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. Для расширения технологических возможностей калибровочной аппаратуры предложено использовать для формирования тест-объекта цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое позволяет создавать практически любую форму и размер рисунка тест-объекта под задачи калибровки ОЭА. Проведена геометрическая калибровка макета многоматричного ОЭА с помощью разных способов формирования эталонной связки векторов: последовательного проецирования теодолитом перекрестия сетки на фокальную плоскость макета ОЭА, тест-объектами в виде массива точек изготовленного методом литографии на стеклянной подложке и тест-объектом, сформированным DMD-устройством. Описаны особенности математической обработки для каждого способа формирования эталонной связки векторов.
Проведена оценка погрешности геометрической калибровки макета ОЭА, выполненной при различных способах задания эталонной связки векторов: при использовании теодолита – 0,48"; массива точек на стеклянной подложке – 0,21" и сформированного DMD – 0,09".
Ключевые слова: дистанционное зондирование земли, калибровка, цифровое микрозеркальное устройство, оптико-электронный аппарат, элементы внутреннего ориентирования, фотоприемник
Статья получена: 02.12.2021
Статья принята: 28.01.2022
Введение
Калибровка заключается в установлении зависимости между показаниями средства измерительной техники (прибора) и размером измеряемой (входной) величины. Геометрическая калибровка подразумевает измерение элементов внутреннего ориентирования (ЭВО) оптико-электронных аппаратов (ОЭА). Геометрическая калибровка позволяет измерить фактическое взаимное расположение фотоприемников, установленных в фокальной плоскости ОЭА, а также искажения, вносимые объективом ОЭА, прежде всего дисторсией [1]. Полученные результаты калибровки используются при последующей обработке изображений. ЭВО ОЭА определяются следующими параметрами: фотограмметрическим (эффективным) фокусным расстоянием; расположением фотоприемников в фокальной плоскости ОЭА; массивом коэффициентов, описывающих дисторсию объектива для каждого пиксела.
ЭВО ОЭА применяются для построения модели связи между пикселами изображения и соответствующей точки предмета, например снятой ОЭА земной поверхностью (для создания топографических карт). Эта процедура необходима также при «сшивке» нескольких изображений, сформированных разными фотоприемниками ОЭА. Согласно методике, предложенной в источнике [2], фотокамера с измерительной точки зрения является угломерным прибором. Поэтому модель связи между пикселами изображения и соответствующей точкой земной поверхности производится через угловое представление, и в качестве эталона должны выступать углы. Точность определения ЭВО ОЭА характеризуется достоверностью углового представления при геометрической калибровке и, как следствие, определяет точность топографических карт. В пределе это совокупность всех угловых измерений, т. е. «связка лучей» [2]. Таким образом, эталонная связка векторов – несколько векторов с известным взаимным пространственным расположением друг относительно друга.
Расширение задач дистанционного зондирования влечет за собой производство широкой линейки номенклатуры ОЭА. Вариантов существования в них ЭВО множество за счет различных конструкций аппаратуры, формата и взаимного расположения фотоприемников в фокальной плоскости ОЭА, размера пиксела матриц и фокусного расстояния. Для целей геометрической калибровки ОЭА с разными характеристиками изготавливают оптимальный тест-объект в виде стеклянной пластины с требуемым рисунком (взаимным расположением, размером и формой элементов тест-объекта), нанесенным на ее поверхность методом литографии. Однако изготовление тест-объектов с различными рисунками каждый раз влечет за собой временные и технологические затраты.
Для геометрической калибровки можно использоваться угломерное устройство, например теодолит [3], который устанавливается перед калибруемым ОЭА, а зрительная труба теодолита последовательно проецирует перекрестие сетки зрительной трубы, подсвеченное осветителем, установленным вместо окуляра, на различные участки фотоприемника ОЭА.
Может быть реализована схема в которой поворачивается непосредственно калибруемый ОЭА, а его поворот измеряется угломерным устройством. Угломерное устройство в таком случае определяет эталонную связку векторов, а погрешность калибровки будет в первую очередь зависеть от точности угломерного устройства.
Для геометрической калибровки часто используются коллимационные схемы [3], в которых в качестве тест-объекта выступает массив точек, одновременно проецируемых на всю фокальную плоскость. Погрешность калибровки в первую очередь зависит от точности определения расстояния между точками. Среднеквадратическая погрешность калибровки в таких случаях может достигать 0,4–0,6" (σ) [3]. В данном случае координаты массива точек, пересчитанные в угловую меру с учетом фокусного расстояния коллиматора, задают эталонную связку векторов. Поле зрения коллиматора и размер тест-объекта будут ограничивать величину калибруемого поля зрения ОЭА. В таком случае можно спроецировать изображение тест-объекта с перекрытием на фокальную плоскость ОЭА под разными углами, поворачивая или коллиматор, или калибруемый ОЭА, что незначительно увеличивает время калибровки, но усложняет процесс обработки результатов. Погрешность калибровки таким методом в работе [4] составила 0,5" (σ).
Авторы предложили цифровое микрозеркальное устройство (Digital Micromirror Device – DMD) для использования в качестве тест-объекта. DMD получило широкое распространение в различных областях оптоэлектроники, в проекторах, спектроскопии, литографии, системах машинного зрения и др. [5]. В процессе калибровки DMD позволяет формировать рисунок тест-объекта практически любой формы и размера, ограниченного лишь его физической площадкой, а также обеспечивает возможность одновременного проецирования изображения на все фотоприемники ОЭА с учетом их взаимного расположения. DMD-устройство позволяет экспериментально подобрать параметры рисунка тест-объекта с учетом взаимного расположения фотоприемников как для единичных уникальных ОЭА, требующих изготовления отдельного специального тест-объекта, так и для калибровки ОЭА, использующих фотоприемники в виде «линеек».
Пример использования DMD для геометрической калибровки представлен в [6]. Процедура заключается в проецировании DMD на экран массива точек и съемке этого экрана цифровой камерой [6]. Однако ОЭА для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) имеют большие фокусные расстояния (вплоть до десятков метров) и сфокусированы на бесконечность. Поэтому схема геометрической калибровки [6] для них не подойдет.
Авторы предлагают устанавливать DMD в фокальной плоскости коллиматора и использовать в качестве измерительной шкалы массив микрозеркал DMD с точной равномерной пространственной структурой. Этот вариант обеспечит имитацию бесконечно удаленного предмета и позволит расположить коллиматор и калибруемый ОЭА как можно ближе друг к другу. DMD-устройства изготавливаются методом литографии, позволяющим создавать микрозеркала размером от 5,5 мкм [7]. Поэтому считаем, что погрешность изготовления пространственной структуры DMD-микрозеркал приведет к результатам калибровки, сравнимым с результатами калибровки с помощью тест-объекта на стеклянной подложке.
Чтобы убедиться в этом, авторы исследовали влияние различных способов формирования эталонной связки векторов на результаты геометрической калибровки ОЭА с длиннофокусным объективом. Для этой цели были разработаны методики калибровки, минимизирующие влияние рассматриваемых факторов на ее точность.
Объект исследования
В качестве объекта исследования взят калибруемый макет ОЭА, основные технические характеристики которого представлены в табл. 1. ОЭА снабжен тремя фотоприемниками, установленными в шахматном порядке в фокальной плоскости. Такое расположение характерно для ОЭА ДЗЗ, осуществляющих маршрутные сканирующие съемки, заключающейся в съемке земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата. Фотоприемники установлены с перекрытием, используемым для «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. В таких системах количество фотоприемников может достигать нескольких десятков.
Описание сравниваемых
способов формирования эталонной связки векторов
Модель калибровки (рис. 1) показывает эталонные векторы, которые определяются через линейные координаты тест-объекта Xki, Yki и фокусное расстояние объектива коллиматора f'K; проекции эталонных векторов (теоретические) Xki', Yki'; и проекции эталонных векторов (фактические) Xi', Yi'. Для упрощения построения хода лучей объектив коллиматора и объектив макета ОЭА показаны единой оптической системой. С точки зрения математических преобразований оптическую систему объектива коллиматора и объектива ОЭА можно представить как одно целое, пересчитав координаты точек тест-объекта Xki, Yki в фокальную плоскость макета ОЭА Xki', Yki' с помощью масштабного коэффициента, определяемого как отношение фокусов объектива коллиматора и макета ОЭА. Из-за искажений объектива макета ОЭА, вызванных дисторсией и погрешностью изготовления, координаты точек тест-объекта спроецируются в некоторых других положениях. Количество векторов задается таким образом, чтобы равномерно спроецировать их по всей площади фотоприемников калибруемого макета ОЭА, и при этом чтобы оставалось достаточная область между изображениями на фотоприемниках для автоматического вычисления координат центров точек. Для всех трех случаев задания эталонной связки векторов использовалось одинаковое количество эталонных векторов – 90 (45 в прямом положении коллиматора и 45 – в перевернутом).
Стенд геометрической калибровки (рис. 2) состоит из коллиматора 1, макета ОЭА 2 и осветителя 3 [8]. Коллиматор 1 включает объектив 1a и тест-объект 1b, расположенный в фокальной плоскости объектива 1a. Тест-объектом является стеклянная пластина с рисунком, изготовленным методом литографии. Стеклянная пластина изготовлена из Zerodur (класс расширения 0) для поддержания стабильности размеров при возможном нагреве. Технология изготовления обеспечивает высокую точность взаимного пространственного расположения элементов рисунка тест-объекта за счет использования установок формирования изображений, например Heidelberg DWL 66+ [9] или КБТЭМ-ОМО ЭМ‑5189-02 [10]. Схема позволяет сформировать эталонную связку векторов с погрешностью не более 0,01". Для измерения перемещения координатного стола в этих установках используются дифференциальная интерферометрическая система высокого разрешения, например Renishaw RLD10, обеспечивающая погрешность измерения не более 1 нм [11].
Рисунком тест-объекта является массив прозрачных точек на непрозрачном фоне. Осветитель включает массив светодиодов и молочное стекло для обеспечения равномерной подсветки рисунка тест-объекта. С тыльной стороны платы, на которой установлены светодиоды, предусмотрено воздушное охлаждение (вентилятором) для эффективного отвода тепла при работе светодиодов.
Если для формирования эталонной связки векторов используется DMD-устройство, то в схеме геометрической калибровки вместо тест-объекта 1b и осветителя 3 устанавливается DLP LightCrafter 4500 без объектива 1 (рис. 3). Этот прибор обеспечивает пространственно-временное управление световым потоком от осветителя 3 (рис. 4), промодулированного DMD 1 посредством программного обеспечения [12].
Был рассмотрен другой способ формирования эталонной связки векторов – с помощью теодолита. В роли теодолита использован тахеометр Leica TS30 1 (погрешность измерения угла – 0,5"). Прибор устанавливается в схеме (рис. 4) вместо коллиматора 1 и осветителя 3. Вместо стандартного окуляра в зрительную трубу 2 тахеометра Leica TS30 1 помещен специально разработанный осветитель 3 для регулируемого уровня подсветки сетки зрительной трубы.
В представленных на рис. 2, 4 и 5 схемах геометрической калибровки имеются нагревающиеся элементы: осветители, фотоприемники. В процессе калибровки осветители и фотоприемники нагревают окружающую их среду, что ведет к появлению градиента показателя преломления. Помимо этого в помещении могут появляться воздушные потоки от систем охлаждения. Эти факторы приводят к тому, что в оптическом тракте схемы геометрической калибровки проецируемые лучи могут отклоняться на некоторую величину.
Для снижения этого влияния оптический тракт закрывается кожухом, выполненным из пористого материала типа спанбонд плотностью не более 17 г / м2. Кожух устанавливается таким образом, чтобы нагревающиеся и не входящие в оптический тракт схемы калибровки части осветителя и макета ОЭА были открытыми. Это необходимо для свободного отвода выделяемого ими тепла во время калибровки. Кожух должен быть пористым, чтобы обеспечить отвод тепла из оптического тракта, а также устранить застаивания воздушных масс. Для снижения влияния вибраций оборудование, входящее в схему геометрической калибровки, размещено на виброизолирующий стол.
Методика получения
изображений тестовых объектов
Коллиматор с тест-объектом в виде стеклянной пластины или DMD, калибруемый макет ОЭА и осветитель визуально выставляются соосно. В DMD загружается рисунок тест-объекта с требуемым периодом и размером точек. Подбирается освещенность с учетом интегральной чувствительности фотоприемника и подбирается время накопления заряда фотоприемником таким образом, чтобы сигнал в единицах АЦП был на уровне 80–90% максимума оцифровки (для увеличения отношения сигнал / шум). Это необходимо для точного вычисления центров изображений точек. А также исключается область (более 90% от максимального уровня сигнала), которая характеризуется наибольшей нелинейностью фотоприемника.
Для DMD при недостаточности диапазона регулировки величины тока осветителя в осветительную систему 3 (рис. 4) устанавливают несколько слоев матовой пленки Folarex HS 1x matt 140, которая рассеивает свет аналогично молочному стеклу, уменьшает световой поток на ~50% и делает его равномерным. Подбирается частота работы микрозеркал DMD совместно с величиной тока питания осветителя таким образом, чтобы из-за погрешности несинхронности работы отдельных микрозеркал или блоков микрозеркал DMD и из-за несогласованности частоты работы DMD и фотоприемника ОЭА не наблюдалось мерцание.
По изображению на фотоприемниках ОЭА рисунок тест-объекта распологают в центре фокальной плоскости коллиматора (рис. 5). На каждый фотоприемник ОЭА проецируется матрица из 15 точек (5 – по горизонтали и 3 – по вертикали) рисунка тест-объекта коллиматора.
Съемка идет в рабочем временном режиме ОЭА, чтобы нагрев фотоприемников и соответственно изменение их взаимного пространственного положения и переодической структуры пикселов во время калибровки были приближены к рабочему.
Коллиматор поворачивается вокруг своей оптической оси на 180° для устранения систематической погрешности, связанной с коллиматором, тест-объектом на стеклянной подложке или DMD. Аналогичные измерения повторяются для положения коллиматора, повернутого на 180°.
Описание методики получения изображений перекрестия теодолита
Зрительную трубу 2 (рис. 5) теодолита 1 и калибруемый ОЭА визуально выставляются соосно. Обеспечивается освещенность фотоприемника ОЭА 80–90% величины его емкости насыщения. Линейными перемещениями теодолит выставляется соосно с ОЭА, чтобы разница освещенности по всей фокальной плоскости ОЭА была не более 10–20%.
Зрительная труба теодолита последовательно поворачивается таким образом, чтобы спроецировать и произвести съемку сетки теодолита (рис. 7) на каждый фотоприемник ОЭА в 15 различных равномерно расположенных участков аналогично расположению точек на рис. 6 для тест-объекта коллиматора.
Зрительная труба теодолита переводится через зенит, теодолит поворачивается на 180° в плоскости горизонта для устранения систематической погрешности теодолита. Измерения аналогично повторяются для нового положения теодолита.
Особенности математической обработки изображений для тест-объекта
Первоначально определяются координаты проекций эталонной связки векторов на фотоприемники путем вычисления энергетических центров тяжести точек изображения тест-объекта, то есть по распределению яркости в изображении. Для снижения влияния шумов значения сигнала в каждом пикселе возводятся в квадрат [13]. Для снижения влияния на точность вычисления координат энергетического центра тяжести точек фонового сигнала вводился порог, значения сигнала ниже которого принимались «0» [14].
Затем определяются невязки проекции эталонной связки векторов (теоретической) и проекции эталонной связки векторов (фактической) на фотоприемники ОЭА. Невязки входят в систему линейных алгебраических уравнений, решение которых методом наименьших квадратов будет уточнять ЭВО ОЭА [8]: взаимное расположение фотоприемников, фотограмметрическое фокусное расстояние и коэффициенты, описывающие дисторсию объектива. То, насколько правильно уточненные ЭВО ОЭА уменьшают невязки, определяет точность калибровки – среднеквадратическое отклонение (СКО), вычисленное по нескомпенсированым невязкам.
Особенностью калибровки ОЭА с использованием тест-объекта, сформированного DMD, является предварительная подготовка шаблона рисунка тест-объекта. Для этого перед проведением калибровки формируется изображение в любом математическом пакете с требуемым периодом и размером точек. Значения пикселов в формируемом изображении, которые будут выступать для формирования эталонной связки векторов, задаются равными «1», остальные – «0». Учитывается период счета для строк в 2 раза меньший, чем для столбцов, а также то, что программное обеспечение DLP LightCrafter 4500 преобразовывает ортогональное изображение в диагональное, соответствующее структуре микрозеркал, показанной на рис. 8.
Особенности математической обработки изображений перекрестия теодолита
Поскольку изображение сетки теодолита проецируется на все фотоприемники не одновременно, а на изображении существуют значительные перепады освещенности, не связанные с изображением перекрестия сетки, то осуществляется приблизительный поиск перекрестия на всем изображении путем вычисления кросс-корреляции [15] между шаблоном перекрестия сетки теодолита и изображением с фотоприемника ОЭА (рис. 7).
В качестве шаблона используется предварительно вырезанная область изображения со всего фотоприемника ОЭА. Далее производится точное вычисление координат энергетического центра тяжести перекрестия и ЭВО аналогично, как и для тест-объекта, установленного в фокальной плоскости коллиматора.
Сравнение результатов по точности
Результаты калибровки в системе координат фокальной плоскости макета ОЭА: проекции эталонной связки векторов и нескомпенсированые невязки (рис. 9). Для наглядности нескомпенсированые невязки увеличены в 2 000 раз. Отсутствие одновременного смещения всех невязок для какого-либо фотоприемника характеризует достоверное определение его положения, отсутствие подушкообразного расположения невязок – достоверное определение коэффициентов, описывающих дисторсию объектива. Видно, что невязки носят случайный характер, для случая с тахеометром – в большей степени.
Погрешность геометрической калибровки макета ОЭА в зависимости от способа формирования эталонной связки векторов представлена в табл. 2.
Погрешность определения фотограмметрического фокусного расстояния в ~4 раза больше при использовании тахеометра Leica TS30 по сравнению с тест-объектом, нанесенным на стеклянную подложку. Это обусловлено необходимостью вручную изменять положение зрительной трубы для проецирования перекрестия сетки по всей фокальной плоскости макета ОЭА, что приводит к увеличению времени калибровки, которое составило более 1,5–2 ч. – это больше, чем для тест-объекта на стеклянной подложке и DLP LightCrafter 4500 в 4 раза. За это время фотоприемники макета ОЭА нагреваются и соответственно изменяют свое взаимное пространственное положение и периодическую структуру пикселов.
Погрешность определения фотограмметрического фокусного расстояния также больше при использовании DLP LightCrafter 4500 из-за нагрева DMD, которого нет при использовании тест-объекта на стеклянной подложке.
Погрешность геометрической калибровки больше при использовании тахеометра Leica TS30. Это обусловлено погрешностью единичного измерения углов тахеометра Leica TS30 в диапазоне 0–360°, которая составила 0,5" (σ), дискретность – 0,1". Предполагается, что эта величина включает как систематическую, так и случайную погрешности. Общую погрешность удалось уменьшить в 3 раза. За счет большого количества измерений (всего 90) удалось снизить случайную погрешность. Измерением малых углов в диапазоне нескольких градусов, переводом через зенит зрительной трубы и поворотом тахеометра на 180° в плоскости горизонта удалось уменьшить систематическую. Основной вклад в погрешность геометрической калибровки при использовании тест-объекта на стеклянной подложке и DLP LightCrafter 4500 вносит погрешность технологии их изготовления, для DLP LightCrafter 4500 такая погрешность меньше в 2 раза.
Выводы
Предложен метод геометрической калибровки ОЭА с длиннофокусным объективом и универсальный способ задания эталонной связки векторов на основе DMD-устройств, устанавливаемых в фокальной плоскости коллиматора, в которых в качестве измерительной шкалы используется массив микрозеркал DMD с точной равномерной пространственной структурой, позволяющей электронным образом сформировать тест-объект любой формы и размеров с имитацией в реальных условиях бесконечно удаленного предмета. Предложенный метод калибровки демонстрирует результаты, по точности не хуже, чем метод калибровки с использованием теодолита и тест-объекта в виде массива точек на стеклянной подложке.
References
Lobanov A. N., Burov M. I., Krasnopevcev B. V. Fotogrammetriya. – Moskva: Nedra. 1987. 308p.
Лобанов А. Н., Буров М. И., Краснопевцев Б. В. Фотограмметрия. – Москва: Недра. 1987. 308 с.
Semencov A. V., Nikitin V. N. Sravnenie rezul’tatov kalibrovki kamer, poluchennyh s ispol’zovaniem razlichnyh metodik i modelej distorsii. Interekspo GEO-Sibir’. 2015; 4(1):17–23.
Семенцов А. В., Никитин В. Н. Сравнение результатов калибровки камер, полученных с использованием различных методик и моделей дисторсии. Интерэкспо. ГЕО-Сибирь. 2015; 4(1):17–23.
Arhipov S. A., Gasich G. V., Zavarzin V. I., Morozov S. A. Fotogrammetricheskie parametry optiko-elektronnoj apparatury. Vestnik MGTU im N. E. Baumana. Ser. Priborostroenie. 2008; 4: 105–115.
Архипов С. А., Гасич Г. В., Заварзин В. И., Морозов С. А. Фотограмметрические параметры оптико-электронной аппаратуры. Вестник МГТУ им Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2008; 4: 105–115.
Jin Li, Zilong Liu. Optical focal plane based on MEMS light lead-in for geometric camera calibration. Microsystems & Nanoengineering. 2017;3(17058):1–7. DOI: 10.1038/micronano.2017.58.
Stirling Scholes, Ravin Kara, Jonathan Pinnell, Valeria Rodríguez-Fajardo, Andrew Forbes. Structured light with digital micromirror devices: a guide to best practice. Optical Engineering. 2019; 59(4):041202. DOI: 10.1117/1.OE.59.4.041202.
Wei Zhang, Weishi Li, Liandong Yu, Hui Luo, Huining Zhao, Haojie Xia.Sub-pixel projector calibration method for fringe projection profilometry. Opt. Express 2017;25: 19158–19169.
DLP® Technology and Products. Literature Number: DLPB010E – Q2 2016.
Starasotnikov N. O., Podskrebkin I. V., Feodortsau R. V. Metodika opredeleniya elementov vnutrennego orientirovaniya mnogomatrichnyh optikoelektronnyh apparatov. Nauka i tekhnika. 2020; 3: 55–64.
Старосотников Н. О., Подскребкин И. В., Федорцев Р. В. Методика определения элементов внутреннего ориентирования многоматричных оптикоэлектронных аппаратов. Наука и техника. 2020; 3: 55–64.
Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH. DWL 66+ The Ultimate Photolithography Tool. Brochure. 09. 2019.
Plebanovich V. I. Bezmaskovaya litografiya – trebovanie segodnyashnego dnya. Elektronika NTB. 2015;7: 112–118.
Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня. Электроника НТБ. 2015;7: 112–118.
Renishaw plc. High-precision laser interferometer feedback systems. Brochure. Issued 0112 L‑9904-2496-04-A.
TI DLP® LightCrafter™ 4500. Evaluation Module. User’s Guide. Literature Number: DLPU011F July 2013 – Revised July 2017.
Starasotnikov N. O., Feodortsau R. V. Sravnenie po tochnosti algoritmov opredeleniya koordinat centrov izobrazhenij v optiko-elektronnyh priborah. Nauka i tekhnika. 2018;17(1):79–86. DOI:10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86.
Старосотников Н. О., Федорцев Р. В. Сравнение по точности алгоритмов определения координат центров изображений в оптико-электронных приборах. Наука и техника. 2018;17(1):79–86. DOI:10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86.
Starasotnikov N. O., Feodortsau R. V. Metod snizheniya vliyaniya shumov fonovogo signala pri opredelenii koordinat energeticheskogo centra tyazhesti izobrazheniya v OEP. Materialy 9‑j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii “Priborostroenie‑2016” 23–25 noyabrya 2016 g. – Minsk: BNTU. 2016; 133–135.
Старосотников Н. О., Федорцев Р. В. Метод снижения влияния шумов фонового сигнала при определении координат энергетического центра тяжести изображения в ОЭП. Материалы 9‑й Международной научно-технической конференции «Приборостроение‑2016» 23–25 ноября 2016 г. – Минск: БНТУ. 2016; 133–135.
Lewis J. P. Fast Normalized Cross-Correlation. Vision Interface. 1995; 120–123 http://scribblethink.org/ Work/nvisionInterface/nip.pdf?browser=F1help.
Об авторах
Старосотников Николай Олегович – инженер-исследователь (Республика Беларусь, г. Минск, ОАО «Пеленг», НКУ «Космос»; e-mail: starasotnikau@peleng.by; аспирант, приборостроительный факультет, кафедра «Лазерная техника и технология», Белорусский национальный технический университет (Республика Беларусь, г. Минскe
mail: starasotnikau@gmail.com.
Федорцев Ростислав Валерьевич – к. т. н., доцент, приборостроительный факультет, кафедра «Лазерная техника и технология», Белорусский национальный технический университет Республика Беларусь, г. Минск, e-mail: feodrw@gmail.com.
Вклад авторов
Старосотников Н. О. – идея, организация и проведение экспериментов, обработка результатов; Федорцев Р. В. – обсуждения, предложения и замечания. Эксперименты проведены в ОАО «Пеленг».
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Н. О. Старосотников, Р. В. Федорцев
ОАО «Пеленг», Минск, Республика Беларусь
Белорусский национальный технический университет, Минск, Республика Беларусь
В статье описаны методики геометрической калибровки оптико-электронных аппаратов (ОЭА) и способы повышения ее точности. Результаты применяются для геометрической калибровки ОЭА дистанционного зондирования Земли, оптическая система которых сфокусирована на бесконечность, а изображение формируется путем «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. Для расширения технологических возможностей калибровочной аппаратуры предложено использовать для формирования тест-объекта цифровое микрозеркальное устройство (DMD), которое позволяет создавать практически любую форму и размер рисунка тест-объекта под задачи калибровки ОЭА. Проведена геометрическая калибровка макета многоматричного ОЭА с помощью разных способов формирования эталонной связки векторов: последовательного проецирования теодолитом перекрестия сетки на фокальную плоскость макета ОЭА, тест-объектами в виде массива точек изготовленного методом литографии на стеклянной подложке и тест-объектом, сформированным DMD-устройством. Описаны особенности математической обработки для каждого способа формирования эталонной связки векторов.
Проведена оценка погрешности геометрической калибровки макета ОЭА, выполненной при различных способах задания эталонной связки векторов: при использовании теодолита – 0,48"; массива точек на стеклянной подложке – 0,21" и сформированного DMD – 0,09".
Ключевые слова: дистанционное зондирование земли, калибровка, цифровое микрозеркальное устройство, оптико-электронный аппарат, элементы внутреннего ориентирования, фотоприемник
Статья получена: 02.12.2021
Статья принята: 28.01.2022
Введение
Калибровка заключается в установлении зависимости между показаниями средства измерительной техники (прибора) и размером измеряемой (входной) величины. Геометрическая калибровка подразумевает измерение элементов внутреннего ориентирования (ЭВО) оптико-электронных аппаратов (ОЭА). Геометрическая калибровка позволяет измерить фактическое взаимное расположение фотоприемников, установленных в фокальной плоскости ОЭА, а также искажения, вносимые объективом ОЭА, прежде всего дисторсией [1]. Полученные результаты калибровки используются при последующей обработке изображений. ЭВО ОЭА определяются следующими параметрами: фотограмметрическим (эффективным) фокусным расстоянием; расположением фотоприемников в фокальной плоскости ОЭА; массивом коэффициентов, описывающих дисторсию объектива для каждого пиксела.
ЭВО ОЭА применяются для построения модели связи между пикселами изображения и соответствующей точки предмета, например снятой ОЭА земной поверхностью (для создания топографических карт). Эта процедура необходима также при «сшивке» нескольких изображений, сформированных разными фотоприемниками ОЭА. Согласно методике, предложенной в источнике [2], фотокамера с измерительной точки зрения является угломерным прибором. Поэтому модель связи между пикселами изображения и соответствующей точкой земной поверхности производится через угловое представление, и в качестве эталона должны выступать углы. Точность определения ЭВО ОЭА характеризуется достоверностью углового представления при геометрической калибровке и, как следствие, определяет точность топографических карт. В пределе это совокупность всех угловых измерений, т. е. «связка лучей» [2]. Таким образом, эталонная связка векторов – несколько векторов с известным взаимным пространственным расположением друг относительно друга.
Расширение задач дистанционного зондирования влечет за собой производство широкой линейки номенклатуры ОЭА. Вариантов существования в них ЭВО множество за счет различных конструкций аппаратуры, формата и взаимного расположения фотоприемников в фокальной плоскости ОЭА, размера пиксела матриц и фокусного расстояния. Для целей геометрической калибровки ОЭА с разными характеристиками изготавливают оптимальный тест-объект в виде стеклянной пластины с требуемым рисунком (взаимным расположением, размером и формой элементов тест-объекта), нанесенным на ее поверхность методом литографии. Однако изготовление тест-объектов с различными рисунками каждый раз влечет за собой временные и технологические затраты.
Для геометрической калибровки можно использоваться угломерное устройство, например теодолит [3], который устанавливается перед калибруемым ОЭА, а зрительная труба теодолита последовательно проецирует перекрестие сетки зрительной трубы, подсвеченное осветителем, установленным вместо окуляра, на различные участки фотоприемника ОЭА.
Может быть реализована схема в которой поворачивается непосредственно калибруемый ОЭА, а его поворот измеряется угломерным устройством. Угломерное устройство в таком случае определяет эталонную связку векторов, а погрешность калибровки будет в первую очередь зависеть от точности угломерного устройства.
Для геометрической калибровки часто используются коллимационные схемы [3], в которых в качестве тест-объекта выступает массив точек, одновременно проецируемых на всю фокальную плоскость. Погрешность калибровки в первую очередь зависит от точности определения расстояния между точками. Среднеквадратическая погрешность калибровки в таких случаях может достигать 0,4–0,6" (σ) [3]. В данном случае координаты массива точек, пересчитанные в угловую меру с учетом фокусного расстояния коллиматора, задают эталонную связку векторов. Поле зрения коллиматора и размер тест-объекта будут ограничивать величину калибруемого поля зрения ОЭА. В таком случае можно спроецировать изображение тест-объекта с перекрытием на фокальную плоскость ОЭА под разными углами, поворачивая или коллиматор, или калибруемый ОЭА, что незначительно увеличивает время калибровки, но усложняет процесс обработки результатов. Погрешность калибровки таким методом в работе [4] составила 0,5" (σ).
Авторы предложили цифровое микрозеркальное устройство (Digital Micromirror Device – DMD) для использования в качестве тест-объекта. DMD получило широкое распространение в различных областях оптоэлектроники, в проекторах, спектроскопии, литографии, системах машинного зрения и др. [5]. В процессе калибровки DMD позволяет формировать рисунок тест-объекта практически любой формы и размера, ограниченного лишь его физической площадкой, а также обеспечивает возможность одновременного проецирования изображения на все фотоприемники ОЭА с учетом их взаимного расположения. DMD-устройство позволяет экспериментально подобрать параметры рисунка тест-объекта с учетом взаимного расположения фотоприемников как для единичных уникальных ОЭА, требующих изготовления отдельного специального тест-объекта, так и для калибровки ОЭА, использующих фотоприемники в виде «линеек».
Пример использования DMD для геометрической калибровки представлен в [6]. Процедура заключается в проецировании DMD на экран массива точек и съемке этого экрана цифровой камерой [6]. Однако ОЭА для дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) имеют большие фокусные расстояния (вплоть до десятков метров) и сфокусированы на бесконечность. Поэтому схема геометрической калибровки [6] для них не подойдет.
Авторы предлагают устанавливать DMD в фокальной плоскости коллиматора и использовать в качестве измерительной шкалы массив микрозеркал DMD с точной равномерной пространственной структурой. Этот вариант обеспечит имитацию бесконечно удаленного предмета и позволит расположить коллиматор и калибруемый ОЭА как можно ближе друг к другу. DMD-устройства изготавливаются методом литографии, позволяющим создавать микрозеркала размером от 5,5 мкм [7]. Поэтому считаем, что погрешность изготовления пространственной структуры DMD-микрозеркал приведет к результатам калибровки, сравнимым с результатами калибровки с помощью тест-объекта на стеклянной подложке.
Чтобы убедиться в этом, авторы исследовали влияние различных способов формирования эталонной связки векторов на результаты геометрической калибровки ОЭА с длиннофокусным объективом. Для этой цели были разработаны методики калибровки, минимизирующие влияние рассматриваемых факторов на ее точность.
Объект исследования
В качестве объекта исследования взят калибруемый макет ОЭА, основные технические характеристики которого представлены в табл. 1. ОЭА снабжен тремя фотоприемниками, установленными в шахматном порядке в фокальной плоскости. Такое расположение характерно для ОЭА ДЗЗ, осуществляющих маршрутные сканирующие съемки, заключающейся в съемке земной поверхности вдоль трассы полета космического аппарата. Фотоприемники установлены с перекрытием, используемым для «сшивки» изображений, сформированных несколькими фотоприемниками. В таких системах количество фотоприемников может достигать нескольких десятков.
Описание сравниваемых
способов формирования эталонной связки векторов
Модель калибровки (рис. 1) показывает эталонные векторы, которые определяются через линейные координаты тест-объекта Xki, Yki и фокусное расстояние объектива коллиматора f'K; проекции эталонных векторов (теоретические) Xki', Yki'; и проекции эталонных векторов (фактические) Xi', Yi'. Для упрощения построения хода лучей объектив коллиматора и объектив макета ОЭА показаны единой оптической системой. С точки зрения математических преобразований оптическую систему объектива коллиматора и объектива ОЭА можно представить как одно целое, пересчитав координаты точек тест-объекта Xki, Yki в фокальную плоскость макета ОЭА Xki', Yki' с помощью масштабного коэффициента, определяемого как отношение фокусов объектива коллиматора и макета ОЭА. Из-за искажений объектива макета ОЭА, вызванных дисторсией и погрешностью изготовления, координаты точек тест-объекта спроецируются в некоторых других положениях. Количество векторов задается таким образом, чтобы равномерно спроецировать их по всей площади фотоприемников калибруемого макета ОЭА, и при этом чтобы оставалось достаточная область между изображениями на фотоприемниках для автоматического вычисления координат центров точек. Для всех трех случаев задания эталонной связки векторов использовалось одинаковое количество эталонных векторов – 90 (45 в прямом положении коллиматора и 45 – в перевернутом).
Стенд геометрической калибровки (рис. 2) состоит из коллиматора 1, макета ОЭА 2 и осветителя 3 [8]. Коллиматор 1 включает объектив 1a и тест-объект 1b, расположенный в фокальной плоскости объектива 1a. Тест-объектом является стеклянная пластина с рисунком, изготовленным методом литографии. Стеклянная пластина изготовлена из Zerodur (класс расширения 0) для поддержания стабильности размеров при возможном нагреве. Технология изготовления обеспечивает высокую точность взаимного пространственного расположения элементов рисунка тест-объекта за счет использования установок формирования изображений, например Heidelberg DWL 66+ [9] или КБТЭМ-ОМО ЭМ‑5189-02 [10]. Схема позволяет сформировать эталонную связку векторов с погрешностью не более 0,01". Для измерения перемещения координатного стола в этих установках используются дифференциальная интерферометрическая система высокого разрешения, например Renishaw RLD10, обеспечивающая погрешность измерения не более 1 нм [11].
Рисунком тест-объекта является массив прозрачных точек на непрозрачном фоне. Осветитель включает массив светодиодов и молочное стекло для обеспечения равномерной подсветки рисунка тест-объекта. С тыльной стороны платы, на которой установлены светодиоды, предусмотрено воздушное охлаждение (вентилятором) для эффективного отвода тепла при работе светодиодов.
Если для формирования эталонной связки векторов используется DMD-устройство, то в схеме геометрической калибровки вместо тест-объекта 1b и осветителя 3 устанавливается DLP LightCrafter 4500 без объектива 1 (рис. 3). Этот прибор обеспечивает пространственно-временное управление световым потоком от осветителя 3 (рис. 4), промодулированного DMD 1 посредством программного обеспечения [12].
Был рассмотрен другой способ формирования эталонной связки векторов – с помощью теодолита. В роли теодолита использован тахеометр Leica TS30 1 (погрешность измерения угла – 0,5"). Прибор устанавливается в схеме (рис. 4) вместо коллиматора 1 и осветителя 3. Вместо стандартного окуляра в зрительную трубу 2 тахеометра Leica TS30 1 помещен специально разработанный осветитель 3 для регулируемого уровня подсветки сетки зрительной трубы.
В представленных на рис. 2, 4 и 5 схемах геометрической калибровки имеются нагревающиеся элементы: осветители, фотоприемники. В процессе калибровки осветители и фотоприемники нагревают окружающую их среду, что ведет к появлению градиента показателя преломления. Помимо этого в помещении могут появляться воздушные потоки от систем охлаждения. Эти факторы приводят к тому, что в оптическом тракте схемы геометрической калибровки проецируемые лучи могут отклоняться на некоторую величину.
Для снижения этого влияния оптический тракт закрывается кожухом, выполненным из пористого материала типа спанбонд плотностью не более 17 г / м2. Кожух устанавливается таким образом, чтобы нагревающиеся и не входящие в оптический тракт схемы калибровки части осветителя и макета ОЭА были открытыми. Это необходимо для свободного отвода выделяемого ими тепла во время калибровки. Кожух должен быть пористым, чтобы обеспечить отвод тепла из оптического тракта, а также устранить застаивания воздушных масс. Для снижения влияния вибраций оборудование, входящее в схему геометрической калибровки, размещено на виброизолирующий стол.
Методика получения
изображений тестовых объектов
Коллиматор с тест-объектом в виде стеклянной пластины или DMD, калибруемый макет ОЭА и осветитель визуально выставляются соосно. В DMD загружается рисунок тест-объекта с требуемым периодом и размером точек. Подбирается освещенность с учетом интегральной чувствительности фотоприемника и подбирается время накопления заряда фотоприемником таким образом, чтобы сигнал в единицах АЦП был на уровне 80–90% максимума оцифровки (для увеличения отношения сигнал / шум). Это необходимо для точного вычисления центров изображений точек. А также исключается область (более 90% от максимального уровня сигнала), которая характеризуется наибольшей нелинейностью фотоприемника.
Для DMD при недостаточности диапазона регулировки величины тока осветителя в осветительную систему 3 (рис. 4) устанавливают несколько слоев матовой пленки Folarex HS 1x matt 140, которая рассеивает свет аналогично молочному стеклу, уменьшает световой поток на ~50% и делает его равномерным. Подбирается частота работы микрозеркал DMD совместно с величиной тока питания осветителя таким образом, чтобы из-за погрешности несинхронности работы отдельных микрозеркал или блоков микрозеркал DMD и из-за несогласованности частоты работы DMD и фотоприемника ОЭА не наблюдалось мерцание.
По изображению на фотоприемниках ОЭА рисунок тест-объекта распологают в центре фокальной плоскости коллиматора (рис. 5). На каждый фотоприемник ОЭА проецируется матрица из 15 точек (5 – по горизонтали и 3 – по вертикали) рисунка тест-объекта коллиматора.
Съемка идет в рабочем временном режиме ОЭА, чтобы нагрев фотоприемников и соответственно изменение их взаимного пространственного положения и переодической структуры пикселов во время калибровки были приближены к рабочему.
Коллиматор поворачивается вокруг своей оптической оси на 180° для устранения систематической погрешности, связанной с коллиматором, тест-объектом на стеклянной подложке или DMD. Аналогичные измерения повторяются для положения коллиматора, повернутого на 180°.
Описание методики получения изображений перекрестия теодолита
Зрительную трубу 2 (рис. 5) теодолита 1 и калибруемый ОЭА визуально выставляются соосно. Обеспечивается освещенность фотоприемника ОЭА 80–90% величины его емкости насыщения. Линейными перемещениями теодолит выставляется соосно с ОЭА, чтобы разница освещенности по всей фокальной плоскости ОЭА была не более 10–20%.
Зрительная труба теодолита последовательно поворачивается таким образом, чтобы спроецировать и произвести съемку сетки теодолита (рис. 7) на каждый фотоприемник ОЭА в 15 различных равномерно расположенных участков аналогично расположению точек на рис. 6 для тест-объекта коллиматора.
Зрительная труба теодолита переводится через зенит, теодолит поворачивается на 180° в плоскости горизонта для устранения систематической погрешности теодолита. Измерения аналогично повторяются для нового положения теодолита.
Особенности математической обработки изображений для тест-объекта
Первоначально определяются координаты проекций эталонной связки векторов на фотоприемники путем вычисления энергетических центров тяжести точек изображения тест-объекта, то есть по распределению яркости в изображении. Для снижения влияния шумов значения сигнала в каждом пикселе возводятся в квадрат [13]. Для снижения влияния на точность вычисления координат энергетического центра тяжести точек фонового сигнала вводился порог, значения сигнала ниже которого принимались «0» [14].
Затем определяются невязки проекции эталонной связки векторов (теоретической) и проекции эталонной связки векторов (фактической) на фотоприемники ОЭА. Невязки входят в систему линейных алгебраических уравнений, решение которых методом наименьших квадратов будет уточнять ЭВО ОЭА [8]: взаимное расположение фотоприемников, фотограмметрическое фокусное расстояние и коэффициенты, описывающие дисторсию объектива. То, насколько правильно уточненные ЭВО ОЭА уменьшают невязки, определяет точность калибровки – среднеквадратическое отклонение (СКО), вычисленное по нескомпенсированым невязкам.
Особенностью калибровки ОЭА с использованием тест-объекта, сформированного DMD, является предварительная подготовка шаблона рисунка тест-объекта. Для этого перед проведением калибровки формируется изображение в любом математическом пакете с требуемым периодом и размером точек. Значения пикселов в формируемом изображении, которые будут выступать для формирования эталонной связки векторов, задаются равными «1», остальные – «0». Учитывается период счета для строк в 2 раза меньший, чем для столбцов, а также то, что программное обеспечение DLP LightCrafter 4500 преобразовывает ортогональное изображение в диагональное, соответствующее структуре микрозеркал, показанной на рис. 8.
Особенности математической обработки изображений перекрестия теодолита
Поскольку изображение сетки теодолита проецируется на все фотоприемники не одновременно, а на изображении существуют значительные перепады освещенности, не связанные с изображением перекрестия сетки, то осуществляется приблизительный поиск перекрестия на всем изображении путем вычисления кросс-корреляции [15] между шаблоном перекрестия сетки теодолита и изображением с фотоприемника ОЭА (рис. 7).
В качестве шаблона используется предварительно вырезанная область изображения со всего фотоприемника ОЭА. Далее производится точное вычисление координат энергетического центра тяжести перекрестия и ЭВО аналогично, как и для тест-объекта, установленного в фокальной плоскости коллиматора.
Сравнение результатов по точности
Результаты калибровки в системе координат фокальной плоскости макета ОЭА: проекции эталонной связки векторов и нескомпенсированые невязки (рис. 9). Для наглядности нескомпенсированые невязки увеличены в 2 000 раз. Отсутствие одновременного смещения всех невязок для какого-либо фотоприемника характеризует достоверное определение его положения, отсутствие подушкообразного расположения невязок – достоверное определение коэффициентов, описывающих дисторсию объектива. Видно, что невязки носят случайный характер, для случая с тахеометром – в большей степени.
Погрешность геометрической калибровки макета ОЭА в зависимости от способа формирования эталонной связки векторов представлена в табл. 2.
Погрешность определения фотограмметрического фокусного расстояния в ~4 раза больше при использовании тахеометра Leica TS30 по сравнению с тест-объектом, нанесенным на стеклянную подложку. Это обусловлено необходимостью вручную изменять положение зрительной трубы для проецирования перекрестия сетки по всей фокальной плоскости макета ОЭА, что приводит к увеличению времени калибровки, которое составило более 1,5–2 ч. – это больше, чем для тест-объекта на стеклянной подложке и DLP LightCrafter 4500 в 4 раза. За это время фотоприемники макета ОЭА нагреваются и соответственно изменяют свое взаимное пространственное положение и периодическую структуру пикселов.
Погрешность определения фотограмметрического фокусного расстояния также больше при использовании DLP LightCrafter 4500 из-за нагрева DMD, которого нет при использовании тест-объекта на стеклянной подложке.
Погрешность геометрической калибровки больше при использовании тахеометра Leica TS30. Это обусловлено погрешностью единичного измерения углов тахеометра Leica TS30 в диапазоне 0–360°, которая составила 0,5" (σ), дискретность – 0,1". Предполагается, что эта величина включает как систематическую, так и случайную погрешности. Общую погрешность удалось уменьшить в 3 раза. За счет большого количества измерений (всего 90) удалось снизить случайную погрешность. Измерением малых углов в диапазоне нескольких градусов, переводом через зенит зрительной трубы и поворотом тахеометра на 180° в плоскости горизонта удалось уменьшить систематическую. Основной вклад в погрешность геометрической калибровки при использовании тест-объекта на стеклянной подложке и DLP LightCrafter 4500 вносит погрешность технологии их изготовления, для DLP LightCrafter 4500 такая погрешность меньше в 2 раза.
Выводы
Предложен метод геометрической калибровки ОЭА с длиннофокусным объективом и универсальный способ задания эталонной связки векторов на основе DMD-устройств, устанавливаемых в фокальной плоскости коллиматора, в которых в качестве измерительной шкалы используется массив микрозеркал DMD с точной равномерной пространственной структурой, позволяющей электронным образом сформировать тест-объект любой формы и размеров с имитацией в реальных условиях бесконечно удаленного предмета. Предложенный метод калибровки демонстрирует результаты, по точности не хуже, чем метод калибровки с использованием теодолита и тест-объекта в виде массива точек на стеклянной подложке.
References
Lobanov A. N., Burov M. I., Krasnopevcev B. V. Fotogrammetriya. – Moskva: Nedra. 1987. 308p.
Лобанов А. Н., Буров М. И., Краснопевцев Б. В. Фотограмметрия. – Москва: Недра. 1987. 308 с.
Semencov A. V., Nikitin V. N. Sravnenie rezul’tatov kalibrovki kamer, poluchennyh s ispol’zovaniem razlichnyh metodik i modelej distorsii. Interekspo GEO-Sibir’. 2015; 4(1):17–23.
Семенцов А. В., Никитин В. Н. Сравнение результатов калибровки камер, полученных с использованием различных методик и моделей дисторсии. Интерэкспо. ГЕО-Сибирь. 2015; 4(1):17–23.
Arhipov S. A., Gasich G. V., Zavarzin V. I., Morozov S. A. Fotogrammetricheskie parametry optiko-elektronnoj apparatury. Vestnik MGTU im N. E. Baumana. Ser. Priborostroenie. 2008; 4: 105–115.
Архипов С. А., Гасич Г. В., Заварзин В. И., Морозов С. А. Фотограмметрические параметры оптико-электронной аппаратуры. Вестник МГТУ им Н. Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2008; 4: 105–115.
Jin Li, Zilong Liu. Optical focal plane based on MEMS light lead-in for geometric camera calibration. Microsystems & Nanoengineering. 2017;3(17058):1–7. DOI: 10.1038/micronano.2017.58.
Stirling Scholes, Ravin Kara, Jonathan Pinnell, Valeria Rodríguez-Fajardo, Andrew Forbes. Structured light with digital micromirror devices: a guide to best practice. Optical Engineering. 2019; 59(4):041202. DOI: 10.1117/1.OE.59.4.041202.
Wei Zhang, Weishi Li, Liandong Yu, Hui Luo, Huining Zhao, Haojie Xia.Sub-pixel projector calibration method for fringe projection profilometry. Opt. Express 2017;25: 19158–19169.
DLP® Technology and Products. Literature Number: DLPB010E – Q2 2016.
Starasotnikov N. O., Podskrebkin I. V., Feodortsau R. V. Metodika opredeleniya elementov vnutrennego orientirovaniya mnogomatrichnyh optikoelektronnyh apparatov. Nauka i tekhnika. 2020; 3: 55–64.
Старосотников Н. О., Подскребкин И. В., Федорцев Р. В. Методика определения элементов внутреннего ориентирования многоматричных оптикоэлектронных аппаратов. Наука и техника. 2020; 3: 55–64.
Heidelberg Instruments Mikrotechnik GmbH. DWL 66+ The Ultimate Photolithography Tool. Brochure. 09. 2019.
Plebanovich V. I. Bezmaskovaya litografiya – trebovanie segodnyashnego dnya. Elektronika NTB. 2015;7: 112–118.
Плебанович В. И. Безмасковая литография – требование сегодняшнего дня. Электроника НТБ. 2015;7: 112–118.
Renishaw plc. High-precision laser interferometer feedback systems. Brochure. Issued 0112 L‑9904-2496-04-A.
TI DLP® LightCrafter™ 4500. Evaluation Module. User’s Guide. Literature Number: DLPU011F July 2013 – Revised July 2017.
Starasotnikov N. O., Feodortsau R. V. Sravnenie po tochnosti algoritmov opredeleniya koordinat centrov izobrazhenij v optiko-elektronnyh priborah. Nauka i tekhnika. 2018;17(1):79–86. DOI:10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86.
Старосотников Н. О., Федорцев Р. В. Сравнение по точности алгоритмов определения координат центров изображений в оптико-электронных приборах. Наука и техника. 2018;17(1):79–86. DOI:10.21122/2227-1031-2018-17-1-79-86.
Starasotnikov N. O., Feodortsau R. V. Metod snizheniya vliyaniya shumov fonovogo signala pri opredelenii koordinat energeticheskogo centra tyazhesti izobrazheniya v OEP. Materialy 9‑j Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii “Priborostroenie‑2016” 23–25 noyabrya 2016 g. – Minsk: BNTU. 2016; 133–135.
Старосотников Н. О., Федорцев Р. В. Метод снижения влияния шумов фонового сигнала при определении координат энергетического центра тяжести изображения в ОЭП. Материалы 9‑й Международной научно-технической конференции «Приборостроение‑2016» 23–25 ноября 2016 г. – Минск: БНТУ. 2016; 133–135.
Lewis J. P. Fast Normalized Cross-Correlation. Vision Interface. 1995; 120–123 http://scribblethink.org/ Work/nvisionInterface/nip.pdf?browser=F1help.
Об авторах
Старосотников Николай Олегович – инженер-исследователь (Республика Беларусь, г. Минск, ОАО «Пеленг», НКУ «Космос»; e-mail: starasotnikau@peleng.by; аспирант, приборостроительный факультет, кафедра «Лазерная техника и технология», Белорусский национальный технический университет (Республика Беларусь, г. Минскe
mail: starasotnikau@gmail.com.
Федорцев Ростислав Валерьевич – к. т. н., доцент, приборостроительный факультет, кафедра «Лазерная техника и технология», Белорусский национальный технический университет Республика Беларусь, г. Минск, e-mail: feodrw@gmail.com.
Вклад авторов
Старосотников Н. О. – идея, организация и проведение экспериментов, обработка результатов; Федорцев Р. В. – обсуждения, предложения и замечания. Эксперименты проведены в ОАО «Пеленг».
Конфликт интересов
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
Отзывы читателей
