УДК 621.375.826
ДАЛЬНОМЕР НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ Эй-ФОТОКАМЕРЫ ДЛЯ КРИМИНАЛИСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
RANGEFINDER BASED ON DIGITAL 3D-CAMERA FOR CRIMINALISTICS
INVESTIGATION
Козлов Владимир Леонидович
д-р техн. наук, профессор E-mail: KczlcvVL@bsu.by
Васильчук Алексей Сергеевич
аспирант
Белорусский государственный университет, г. Минск, Беларусь
Аннотация: Приводится методика построения пассивного дальномера на основе серийно выпускаемой ЭБ-фотокамеры, обеспечивающего измерение расстояний и размеров объектов по анализу цифровых фотографических изображений, не использующего мерный объект, расположенный в измеряемой области. Приводятся результаты экспериментальных исследований измерителя.
Ключевые слова: измерение расстояний и размеров, ЭБ-каме-ра, цифровое изображение, субпиксельная обработка изображений.
Kozlov Vladimir L.
D. Sc. (Tech.), Professor E-mail: KozlovVL@bsu.by
Vasilchuk Aleksei S.
Postgraduate
Belarusian State University, Minsk city, Republic of Belarus
Abstract: The method for the passive distances and sizes measurement of objects using 3-D camera based on the analysis of the digital photographic images, not using the measuring object located in the center of measured area is offered. Experimental results of measuring equipment are presented.
Keywords: distance and size measurement, 3D-camera, digital photographic image, sub pixel image processing.
ВВЕДЕНИЕ
Практика и теория криминалистики выработала ряд средств для наиболее полной фиксации размеров и других характеристик объектов осмотра. С этой целью применяются масштабные линейки, угловые и глубинные масштабы. Масштабирование вручную значительно усложняет процесс составления масштабных схем и планов места совершения преступления и, как показала практика, дает значительные погрешности при расчете размерных характеристик объектов следственного и экспертного осмотра. Специально сконструированная для целей разметки фотографируемого пространства камера "Вильд" использовалась в 1970-е годы ХХ в. и не получила распространения в силу громоздкости и невозможности ее применения в переносном (портативном) варианте.
В настоящее время цифровая фотосъемка почти полностью вытеснила традиционную пленочную, но ее возможности еще недостаточно используются для решения стоящих перед правоохранительными органами задач. Возможность измерения расстояний и размеров объектов по анализу цифровых фотографических изображений места происшествия, полученных с помощью фотокамеры, позволила бы существенно повысить оперативность и качество фиксации следов совершенного преступления и при проведении криминалистических исследований. Особое значение данная измерительная
система будет иметь для обеспечения работы правоохранительных органов на месте происшествия, занимающего значительные территории (места взрывов, крушений, техногенных аварий и т. д.), когда зафиксировать традиционными средствами местоположение всего множества объектов (следов, обломков и т. д.) невозможно.
В Российской Федерации выпускаются ряд универсальных однокамерных фотограмметрических комплексов (ФОМП-К; ФОМП-КС), предназначенных для фотосъемки объектов или участков местности с целью проведения линейных измерений по изображению снимков на мониторе компьютера, что обеспечивает фиксацию обстановки мест различного рода преступлений и происшествий. Анализ принципов функционирования и параметров выпускаемых фотограмметрических комплексов показал, что для проведения измерений в них необходимо использование мерных объектов и маркировочных конусов, располагаемых в центре измеряемой зоны. Это, во-первых, неудобно в режиме эксплуатации, а, во-вторых, существенно ограничивает функциональные возможности, так как эти системы невозможно использовать в случае техногенных катастроф, взрывов, пожаров, наводнений и т. п. Кроме того, такие системы обладают невысокой точностью измерения, которая составляет 1—3 % от измеряемого расстояния, и ограниченным диапазоном из-
70
Sensors & Systems • № 9-10.2015
меряемых расстояний до 50 м, что в большинстве случаев недостаточно.
В последнее время были разработаны и созданы цифровые 3D-фотокамеры, с помощью которых принципиально возможно решение задачи измерения дальности и размерных параметров объектов на основе анализа цифрового фотографического изображения. Однако, конструктивные особенности серийно выпускаемых 3D-фотокамер, такие, как малая база съемки (1,5...7,5 см), непараллельность оптических осей фотокамер и взаимный наклон плоскостей фотоприемных матриц, не позволяют их использовать для измерения расстояний и обеспечения высокой точности измерений. Из вышесказанного следует, что создание методики измерения расстояний на основе цифровой 3D-фо-токамеры, учитывающей упомянутые особенности аппаратуры и обеспечивающей более высокую точность измерения расстояний, чем известные комплексы, является актуальной задачей.
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Для решения задачи измерения расстояний и размеров объектов с использованием цифровой 3D-фото-камеры предлагается методика, основанная на принципах фотограмметрии и корреляционной обработке цифровых изображений стереопары [1, 2]. Если расстояние между камерой и наблюдаемой сценой значительно превышает фокусное расстояние оптической системы, можно считать, что изображение строится в ее фокальной плоскости на расстоянии фокуса / [1]. Проекцией измеряемой точки трехмерного пространства М с координатами (X, У, 7), где 7 — расстояние, на фотоприемную матрицу является точка т с координатами (х, у), причем выполняются следующие соотношения:
Объект
■ = Ш- + Х0 у = Ш— + у0,
шх 7 Шу7
(1)
где х0, у0 — координаты главной точки относительно начала координат фотоприемника; шх и Шу — расстояния между ячейками матричного фотоприемника вдоль строк и столбцов.
Трехмерный вектор точки т внутренних координат камеры будет иметь вид V = (х, у, 1), а трехмерный вектор, соответствующий координатам точки М в пространстве, равен М = (X, У, 7). Связь координат в пространстве с координатами в плоскости изображения [2] можно выразить соотношением (2) через постоянную матрицу К, которая определяется соотношением (3) и называется калибровочной или матрицей внутренних параметров камеры
^ = КМ, (2)
(3)
//шх 0 х0
К = 0 // шу Уо
0 0 1
М1 [
XI
>
Процессор
□ М2
х2
Рис. 1. Функциональная схема дальномера на основе цифровой ЭБ-фотокамеры
Для определения координаты объекта достаточно знать его внутренние координаты на фотоприемной матрице V, расстояние до объекта 7 и калибровочную матрицу К. Для определения координаты 7 (расстояния до объекта Я) используется стереоскопическая система, представленная на рис. 1. Сущность способа измерений заключается в следующем [3, 4]. С помощью оптических линз Л1 и Л2 на фотоприемных матрицах М1 и М2 3D-фотокамеры реализуются цифровые изображения измеряемых объектов. Полученные два цифровых изображения одних и тех же объектов поступают в процессор, где производится измерение расстояний по следующему алгоритму.
На первом изображении формируется окно сканирования, размер которого выбирают таким образом, чтобы разность расстояний до отдельных фрагментов выделенного объекта была меньше инструментального разрешения по дальности. Если поверхность объекта является плоскостью, перпендикулярной горизонтали и оси наблюдения, то все точки плоскости будут находиться на одинаковом расстоянии от объектива. Если предмет имеет объемную форму, то необходимо на нем выделить плоскую поверхность.
Автоматически окно с такими же координатами формируется и на втором снимке. Затем осуществляется сканирование одного окна относительно другого по горизонтали и вертикали, при этом в каждой точке сканирования вычисляется значение двухмерной нор-
мированной корреляционной функции между выделенными изображениями в соответствии с выражением
X (1г(х, у) - /!>( 12(х + Ах, у + Ау) - 12) Я(Ах, Ау) = х у ,
А/Х (11 (х, У) - /х)2 X Шх + Ах, у + Ау) - /2)2
™ X, у X, у
X /„(х, у)
1и =
_ X, у
хшахушах
(4)
Я = , шхА х
(5)
ется следующим образом. Определив значение расстояния до к-го объекта Як и размеры этого объекта на фотоприемной матрице в пикселях хк по горизонтали и у к по вертикали, ширина объекта Б^ и высота Нк определятся из выражений:
Н = Кк™уук . Б = Як ®ххк
Нк = —Г. Бк = ~Т~.
(6)
где /2 — сигналы окон сканирования первого и второго изображения; хтах, утах — размер сканирующего окна по горизонтали и вертикали, соответственно; Ах, Ау — сдвиг по горизонтали и вертикали, соответственно, , /2 — средние значения сигнала в первом и втором окне сканирования; п = 1, 2.
Из приведенного выражения следует, что сканирование осуществляется по горизонтали и вертикали. По положению максимального значения нормированной корреляционной функции (1) определяют сдвиг между изображениями Ах = Х2 — х^ (см. рис. 1). Так как все точки объекта в выделенном окне находятся на одинаковом расстоянии и осуществляется нормирование по величине среднего значения сигнала, то достигается максимальное значение корреляционной функции, и при полном совпадении изображений корреляционная функция (4) будет равна единице. Дальность Я до выделенной области объекта определяется из выражения:
где Ь — расстояние между фотокамерами, f — фокусное расстояние фотокамер, Ах — сдвиг между изображениями в пикселях по оси Х, шх — расстояния между чувствительными элементами фотоприемной матрицы по оси Х. Аналогичным образом определяются расстояния Як до всех объектов, попавших в поле зрения фотокамеры.
В выражении (4) для сигнала 1\ в процессе сканирования суммы не меняются, так как не зависят от значений Ах, Ау. Значение суммы /2 необходимо пересчитывать при сканировании окна вдоль осей Х и оси У. Использование при вычислении результатов предыдущей итерации [5] обеспечивает уменьшение числа вычислительных процедур, а следовательно, уменьшение времени измерений. Практический выигрыш по времени при вычислении корреляционной функции выделенных изображений с использованием методики [5] в сравнении с формулами (4) имеет следующие значения: при размере окна сканирования 11x11 пикселей выиг
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.