2 . Содержание. ВВЕДЕНИЕ...

АО «Государственный специализированный проектный институт»

госкорпорации «Росатом»

На правах рукописи

Буюкян Сурен Петросович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И МЕТОДОВ

РЕШЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ

НА ОСНОВЕ ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ

Специальность 25.00.32 – «Геодезия»

Диссертация

на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва –2016

2

Содержание

ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………… 6

1 ВОЗМОЖНОСТИ РЕШЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ НА ОСНОВЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ

МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ ……. 13

1.1 Возможности решения специальных задач прикладной

геодезии на основе традиционных геодезических методов и

средств измерений ………………………………………………………. 13


геодезии на основе новейших геодезических методов и

средств измерений ………………………………………………………. 14


геодезии на основе телевизионных методов и средств измерений …. 15

1.4 Возможности решения специальных задач

прикладной геодезии на основе видеоизмерений ……………………… 15

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ .……….. 18

2.1 Основы формирования стандартного телевизионного

видеосигнала ……………………………………………..………………. 18

2.2 Модель видеоизмерений ……………………………………… 21

2.3 Математические основы видеоизмерений при установке

видеодатчика на неподвижном основании ……….……………………. 25

2.4 Математические основы видеоизмерений при установке

видеодатчика на подвижном основании ………….……………………. 33

2.5 Связь между погрешностями видеоизмерений

и соответствующих геодезических измерений …………..…………….. 36

3 СРЕДСТВА ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ .…………..……………… 37

3.1 Технические средства видеоизмерений ……………………… 37

3

3.2 Программные средства видеоизмерений …………………… 41

3.3 Надежность видеоизмерений …………………………………. 41

3.4 Основные источники погрешности видеоизмерений ……….. 46

4 МЕТОДЫ ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ И

ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ

СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ

НА РАЗЛИЧНЫХ СООРУЖЕНИЯХ …..………………………………. 51

4.1 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для

мониторинга плановых и крутильных колебаний верха Главного

Монумента в парке Победы на Поклонной горе в Москве .…..…….. 51

4.2 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система

для контроля плановых координат рабочих точек антенн

фазово-корреляционного пеленгатора ………………………………... 57


для контроля высотных положений узлов сооружения …….………. 65


для контроля положения микропроходческого щита

относительно проектного направления ….……………………………… 73


для измерения прогибов главных несущих балок перекрытия

зрительного зала Государственного Кремлевского Дворца …………. 78


для передачи заданного направления (азимута) с неподвижного

основания на подвижный объект в одном горизонте ………………… 86


для передачи заданного направления (азимута)

с одного горизонта на другой ……….. ……………………………….… 90


для мониторинга деформаций несущих конструкций

Лефортовского тоннеля глубокого заложения в Москве ……………100

4


для измерения весовых деформаций рефлектора

большой параболической антенны ТНА-1500 …………………… ……. 103


для контроля геометрии внутренней вертикальной

цилиндрической поверхности …….…….……………………………… 107


для измерения наклона контролируемого объекта ……………..…… 118


для измерения планового положения контролируемого

объекта относительно прямого и обратного отвесов ……………….…. 122


для измерения высотного положения подвижного объекта …….…… 126

5 ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ

ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ И ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ …….. 130

5.1 Перспективы совершенствования аппаратурных

средств видеоизмерений ………………………………………………… 130

5.2 Перспективы совершенствования программных

средств видеоизмерений …………………….………………………….. 139

5.3 Перспективы видеоизмерений для решения других задач … 140

5.3.1 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная

система для измерения давления в жидкости …………………………. 140

5.3.2 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система

для измерения плотности жидкости ………….………………….…….. 143


для измерения показателя преломления жидкостей и газов …….……. 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………… 150

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ … 153

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ …………………………… 156

5

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………… 157

ПРИЛОЖЕНИЕ А - Справка о вкладе главного специалиста

отдела высокоточных и специальных работ «ГСПИ» Буюкяна С.П.

в создание видеоизмерительных систем ……….………………….…... 164

ПРИЛОЖЕНИЕ Б - Вывод формулы для вычисления

горизонтального угла между узлами видеоизмерительной системы,

установленными на разных горизонтах ……..…………………………. 166

ПРИЛОЖЕНИЕ В - Свидетельство об утверждении типа

средства измерений ……………………………………………………… 168

6

ВВЕДЕНИЕ

Известны специальные задачи прикладной геодезии, например, мони-

торинг плановых и крутильных колебаний высотных сооружений, измерение

прогибов несущих балок большепролетных сооружений, передача заданного

направления (азимута) с неподвижного основания (берег) на подвижный объ-

ект (корабль) в одном горизонте и с одного горизонта на другой, контроль

положений рабочих точек антенн антенных комплексов, для решения кото-

рых необходимо выполнение высокоточных (с относительной погрешностью

0,01%), длительных (в течение срока эксплуатации сооружения), непрерыв-

ных и периодических, оперативных (10 измерений в секунду) измерений с

выдачей конечного результата решаемой задачи в автоматизированном ре-

жиме и в реальном времени. Эти задачи не решаются традиционными и не

всегда решаются новейшими геодезическими методами и средствами изме-

рений, что требует поиска новых решений, к которым относится разработан-

ный автором новый в прикладной геодезии метод видеоизмерения, основан-

ный на компьютерной обработке изображения наблюдаемого объекта в стан-

дартном телевизионном видеосигнале.

Актуальность диссертационной работы состоит в том, что на основе

видеоизмерений решаются многие задачи прикладной геодезии, которые не

решаются на основе существующих геодезических методов и средств изме-

рений.

Цель диссертации состоит в обеспечении надежной эксплуатации уни-

кальных инженерных сооружений при том, что она не обеспечивается суще-

ствующими геодезическими методами и средствами измерений.

Для ее достижения необходимо было решить следующие задачи:

• Разработать теоретические основы видеоизмерений для вычисле-

ния параметров, создания математических моделей и алгоритмов микропро-

цессорных и компьютерных программ видеоизмерений.

7

• Разработать методы видеоизмерений и видеоизмерительные систе-

мы для уникальных инженерных сооружений.

• Разработать метод преобразования стандартного телевизионного

видеосигнала из аналогового в цифровой вид с выделением координат кон-

турных точек изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и создать

специализированный видеопроцессор с возможностью передачи массивов

цифровых данных через типовой компьютерный порт (USB) за время телеви-

зионного полукадра, что позволяет в видеоизмерительных системах исполь-

зовать практически любые компьютеры.

Степень разработанности темы:

Наиболее значимые успехи в решении задач по автоматизации высоко-

точных геодезических измерений достигнуты трудами ученых и специали-

стов МИИГАиК (Москва), ГСПИ (Москва), ЦНИИГАиК (Москва), СГУГиТ

(Новосибирск), НИИПГ (Новосибирск), ЕрПИ (Ереван), ЛПИ (Львов).

Наиболее близким к методу видеоизмерений является телевизионный

метод измерений, пик развития которого пришелся на вторую половину ХХ

века. В качестве первичного измерительного преобразователя в нем служила

специальная телевизионная передающая трубка – диссектор, - характеризу-

емая значительными габаритами и массой, питаемая от нескольких источни-

ков электрического тока, включая высоковольтный, что огранивало его воз-

можности для решения специальных задач прикладной геодезии.

При разработке видеоизмерительных системах использовались совре-

менные достижения микроэлектроники и компьютерной техники и техноло-

гии, в частности, модульные видеокамеры с координатно-чувствительным

матричным фотоприемником (ПЗС-матрицей), что позволило в качестве пер-

вичного измерительного преобразователя использовать видеодатчик, харак-

теризуемый незначительными габаритами и массой, питаемый от одного

низковольтного (12В) и слаботочного (0,1А) источника постоянного тока.

8

Теоретическая значимость диссертации заключена:

• В разработке автором теоретических основ видеоизмерений, обес-

печивающих создание математических моделей и алгоритмов микропроцес-

сорных и компьютерных программ, а также создание видеоизмерительных

систем, настроенных на выдачу конечного результата решаемой задачи в ав-

томатизированном режиме и в реальном времени.

• В выводе формул для вычислений:

- числа дискретов, выделяемых в направлениях координатных осей и в

целом видеокадре;

- констант видеоизмерений;

- масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей ви-

деокадра;

- угла между узлами видеоизмерительной системы при передаче задан-

ного направления (азимута) с одного горизонта на другой;

- средней квадратической погрешности видеоизмерений и соответ-

ствующих геодезических измерений.

Научная новизна диссертации заключена:

• В разработке нового в прикладной геодезии метода видеоизмерений

и методов решения специальных задач прикладной геодезии, обеспечиваю-

щих надежное функционирование уникальных инженерных сооружений в

ряде регионов России.

• В разработке нового метода преобразования стандартного телевизи-

онного видеосигнала из аналогового в цифровой вид с выделением коорди-

нат контурных точек изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и с

передачей массивов цифровых данных через типовой компьютерный порт за

время одного телевизионного полукадра, что позволяет в видеоизмеритель-

ных системах использовать практически любые компьютеры.

9

Методология разработок и исследований состояла:

• В оптимизации параметров узлов и видеоизмерительных систем в

целом на основе метода «наименьших квадратов».

• В обработке результатов экспериментальных исследований и испы-

таний узлов и видеоизмерительных систем в целом на основе методов мате-

матической статистики.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в созда-

нии при непосредственном участии автора в качестве главного разработчика

следующих видеоизмерительных систем:

o Видеоизмерительной системы для мониторинга плановых и кру-

тильных колебаний верха Главного Монумента в парке Победы на Поклон-

ной горе, Москва, 1997г.

o Видеоизмерительной системы для измерения весовых деформаций

рефлектора большой параболической антенны ТНА-1500, Московская об-

ласть, 2000г.

o Четырех видеоизмерительных систем для оперативного контроля

плановых координат рабочих точек антенн антенных комплексов в центрах

космической связи, Московская область, Красноярский край, 2001, 2003,

2005, 2012г.г.

o Мобильной видеоизмерительной системы для мониторинга дефор-

маций несущих конструкций (тюбингов) Лефортовского тоннеля глубокого

заложения, Москва, 2005г.

o Трех видеоизмерительных систем для передачи заданного направ-

ления (азимута) в одном горизонте и с одного горизонта на другой, Архан-

гельская и Волгоградская области, 2006, 2007, 2008г.г.

o Видеоизмерительной системы для измерения деформаций главных

несущих балок перекрытия зрительного зала Государственного Кремлевско-

го Дворца, Москва, 2010г.

10

o Видеоизмерительной системы для контроля геометрии внутренней

вертикальной цилиндрической поверхности, получившей государственную

регистрацию в качестве типа средства измерений с выдачей Свидетельства

RU.E.27.003.A №53123, 2013г. (ПРИЛОЖЕНИЕ В).

Положения, выносимые на защиту:

Метод видеоизмерений, основанный на компьютерной обработке

изображения наблюдаемого объекта в стандартном телевизионном видеосиг-

нале, обеспечивающий выполнение высокоточных, длительных, оператив-

ных, непрерывных и периодических измерений с выдачей конечного резуль-

тата решаемой задачи в автоматизированном режиме и в реальном времени.

Методы решения следующих задач прикладной геодезии на основе

видеоизмерений:

- мониторинг плановых и крутильных колебаний высотного сооруже-

ния;

- контроль плановых координат точек сооружения в местной коорди-

натной системе;

- измерение высотного положения узлов сооружения;

- контроль положения объекта относительно заданного (проектного)

направления;

- контроль положения объекта относительно заданного створа;

- передача заданного направления (азимута) с неподвижного основания

на подвижный объект в одном горизонте и с одного горизонта на другой;

- мониторинг деформаций несущих конструкций (тюбингов) тоннель-

ного сооружения;

- измерение весовых деформаций наклоняемого массивного узла со-

оружения;

- контроль геометрии внутренней вертикальной цилиндрической по-

верхности.

- измерение наклона контролируемого объекта;

11

- измерение положения контролируемого объекта относительно струны

прямого и обратного отвесов;

- измерение высотного положения подвижного объекта.

Метод преобразования стандартного телевизионного видеосигнала

из аналоговой в цифровую форму с выделением координат контурных точек

изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и созданный на его основе

специализированный видеопроцессор, позволяющий передавать массивы

цифровых данных через типовой компьютерный порт за время одного теле-

визионного полукадра, что позволяет в видеоизмерительных системах ис-

пользовать практически любые компьютеры.

Достоверность основных положений, рекомендаций и выводов дис-

сертации состоит:

• В удовлетворительной сходимости результатов вычислений пара-

метров видеоизмерений с результатами контрольных измерений и испытаний

узлов и видеоизмерительных систем в целом.

• В экспериментальном подтверждении возможности создания спе-

циализированного видеопроцессора на основе разработанного автором мето-

да преобразования стандартного телевизионного видеосигнала из аналогово-

го в цифровой вид с выделением координат контурных точек изображения

наблюдаемого объекта в видеокадре и передачей массивов цифровых данных

через типовой компьютерный порт (USB) за время одного телевизионного

полукадра.

Апробация диссертационной работы состояла в обсуждении и экспо-

нировании основных результатов исследований и разработок на всероссий-

ских и международных конференциях и выставках:

- юбилейной научно-практической конференции «Подземное строи-

тельство России на рубеже ХХI века. Итоги и перспективы», Москва, 15-16

марта, 2000г.;

12

- международной научно-практической конференции «Тоннельное

строительство России и стран СНГ в начале века. Опыт и перспективы»,

Москва, 28-31 октября, 2002г.;

- 125-ой Ежегодной конференции-выставке международной геодезиче-

ской федерации (125th Anniversary of FIG), Париж, 13-17 апреля, 2003г.;

- конференции – выставке: «По инновационным технологиям из Рос-

сии, Украины и Казахстана», организованной департаментом национальной

ядерной безопасности министерства энергетики США, Филадельфия, штат

Пенсильвания, 5-6 ноября, 2003г.;

- международной научно-технической конференции, посвященной 225-

летию МИИГАиК, Москва, 25-27 мая, 2004г.;

- на инновационном форуме госкорпорации «Росатом», где экспониро-

вался пакет предложений по использованию видеоуровнемера в нефтехими-

ческой, пищевой и других областях, Москва, 27-28 июня, 2006г.

Апробация ряда положений диссертационной работы также состояла в

обсуждении совместного с Рязанцевым Г.Е. доклада автора на тему: «Авто-

матизированные информационно-измерительные системы ФГУП «ГСПИ» на

основе видеоизмерений» в 2005г. на выездной сессии НТС-8 госкорпорации

«Росатом», который своим решением рекомендовал Правительству Москвы

использовать результаты разработок при создании автоматизированных си-

стем мониторинга деформационного состояния конструкций высотных зда-

ний и сооружений в рамках реализации городской комплексной инвестици-

онной программы «Новое кольцо России».

Главными заказчиками работ, представленных в диссертации, явля-

лись: «ОКБ МЭИ», ФГУП «МИТ», ФГУП «НПЦ АП», СКБ МТ «Рубин».

13

1 ВОЗМОЖНОСТИ РЕШЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ НА ОСНОВЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ

МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Возможности решения специальных задач прикладной геодезии

на основе традиционных геодезических методов и средств измерений

Традиционные геодезические методы и средства измерений с исполь-

зованием различных оптических приборов (теодолитов, нивелиров, оптиче-

ских центриров и др.) характеризуются следующими основными особенно-

стями:

- измерения выполняются с участием оператора (геодезиста), ошибки

которого вносят свой вклад в общую погрешность измерений;

- участие оператора в процессе измерений ограничивает их быстродей-

ствие и продолжительность;

- для достижения конечного результата решаемой специальной при-

кладной задачи, как правило, необходима дополнительная камеральная обра-

ботка результатов измерений, что не отвечает требованиям автоматизации

измерений с выдачей конечного результата в реальном времени.

В соответствии с изложенным на основе традиционных геодезических

методов и средств измерений не могут решаться специальные задачи при-

кладной геодезии, так как не отвечают требованиям быстродействия, про-

должительности и автоматизации измерений с выдачей конечного результата

в реальном времени.

14


на основе новейших геодезических методов и средств измерений

Новейшие геодезические методы и средства измерений, основанные на

использовании оптоэлектронных приборов (тахеометров, лазерных сканеров,

глобальных спутниковых навигационных систем и др.), характеризуются

следующими основными особенностями:

- как правило, выполняются в автоматизированном режиме без непо-

средственного участия оператора, которым задаются лишь исходные пара-

метры измерений;

- с высокой частотой (10Гц) и в течение длительного времени, ограни-

ченном только долговечностью и надежностью механических узлов;

- для достижения конечного результата решаемой специальной задачи

прикладной геодезии, как правило, необходима дополнительная камеральная

обработка результатов измерений.

Например, облако цифровых данных, полученных с помощью лазерных

сканеров содержит информацию о координатах точек наблюдаемого объекта,

но для достижения конечного результата решаемой специальной задачи при-

кладной геодезии (например, взаимосвязи указанных координат с заданными

направлениями), как правило, необходима дополнительная камеральная об-

работка.

Что касается глобальных спутниковых навигационных систем, то, как

известно, они не могут функционировать в закрытых (подземных) помеще-

ниях, что ограничивает их применение для решения соответствующих специ-

альных задач прикладной геодезии. Кроме того, они не обеспечивают точно-

сти измерений в доли миллиметра.

15


на основе телевизионных методов и средств измерений

В телевизионных методах измерений в качестве первичного измери-

тельного преобразователя служит специальная телевизионная трубка - дис-

сектор [53,55,58,64], характеризуемая значительными габаритами и массой,

питаемая от нескольких источников электрического тока, включая высоко-

вольтный.

Кроме того, обработка телевизионного видеосигнала выполняется с

помощью сложных и громоздких аппаратурных средств, в которых решаются

сложные технических задачи, связанные с обеспечением линейности и ста-

бильности телевизионной развертки и ее привязки к «нулевой» точке.

Указанные характеристики телевизионных методов и средств измере-

ний существенно ограничивают возможности их применения для решения

специальных задач прикладной геодезии.

1.4 Возможности решения специальных задач

прикладной геодезии на основе видеоизмерений

Видеоизмерения, как уже отмечалось, являющиеся дальнейшим разви-

тием телевизионных методов измерений, отличаются от них рядом особенно-

стей:

- в качестве первичного измерительного преобразователя используется

видеодатчик, в типовом исполнении содержащий всего лишь объектив и мо-

дуль видеокамеры с ПЗС-матрицей, характеризуемый высокой надежностью

(наработка до отказа 100000 час.), незначительными габаритами (30×30мм) и

16 массой (15Г), питаемый от одного слаботочного (0,1А) низковольтного (12В)

источника постоянного тока;

- выходной стандартный телевизионный видеосигнал видеодатчика

может передаваться по типовым каналам связи, включая спутниковые, на

любые расстояния, что позволяет создавать интегрированные на большой

площади видеоизмерительные системы с общим центром сбора и обработки

информации;

- ПЗС-матрица, выполненная на кристалле кремния, характеризуется

высокой стабильностью геометрических параметров, обеспечивающей высо-

кую точность видеоизмерений [56];

- преобразование стандартного телевизионного видеосигнала из анало-

говой в цифровую форму может осуществляться с помощью типового ви-

деопроцессора (контроллера, фрейм-граббера, видеобластера);

- визуализация изображения наблюдаемого объекта, содержащегося в

стандартном телевизионном видеосигнале, может осуществляться с помо-

щью типового видеомонитора;

- видеоизмерительные системы комплектуются типовыми промышлен-

ными узлами (объектив, модуль видеокамеры, видеопроцессор, блок пита-

ния, компьютер), которые выпускаются в массовом количестве, что снижает

стоимость, сокращает сроки создания и повышает надежность функциониро-

вания видеоизмерительных устройств и систем.

В то же время стандартный телевизионный видеосигнал налагает опре-

деленные ограничения на параметры видеоизмерений:

- максимальное число активных точек (пикселей) на телевизионной

строке в видеокадре составляет 767, а максимальное число активных телеви-

зионных строк - 565, что ограничивает точность видеоизмерений;

- частота полукадров и видеокадров в телевизионном сигнале составля-

ет соответственно 50 и 25Гц, что ограничивает частоту видеоизмерений.

17

Несмотря на указанные ограничения, налагаемые телевизионным стан-

дартом, на основе видеоизмерений, как это следует из изложенного далее,

может решаться широкий круг специальных задач прикладной геодезии и

других задач.

18

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Основы формирования стандартного телевизионного видеосигнала

В соответствии с действующим в России стандартом телевизионный

видеосигнал формируется по принципу линейной чересстрочной развертки

оптического изображения телевизионными строками в четном и нечетном

полукадрах, объединяемых в видеокадр [54].

Формирование стандартного телевизионного видеосигнала в современ-

ных телевизионных системах осуществляется на основе сигналов позицион-

но-чувствительного матричного фотоприемника (ПЗС-матрицы), на который

объективом видеодатчика проецируется интересуемое изображение.

На рисунке 2.1, в качестве примера, показана схема сканирования теле-

визионными строками круглого изображения визирной цели в видеокадре с

выделением контурных точек.

При сканировании телевизионными строками исходное изображение в

видеокадре разлагается на элементарные составляющие, ввиду чего претер-

певает значительные искажения, которые практически не сказываются на

зрительном восприятии изображения в силу ряда физиологических особен-

ностей зрения – его инерционности, ограниченной разрешающей способно-

сти, чувствительности и контрастности.

В то же время эти изображения существенно влияют на метрологиче-

ские характеристики телевизионных измерений, следовательно, и видеоизме-

рений, ограничивая число точек, выделяемых в видеокадре, о чем упомина-

лось выше.

Стандартный телевизионный видеосигнал характеризуется следующи-

ми особенностями, влияющими на метрологические характеристики видео-

измерений:

19

X,Y – координатные оси видеокадра

Рисунок 2.1 – Схема сканирования телевизионными строками

круглого изображения визирной цели в видеокадре

с выделением контурных точек

- формируется по принципу линейной чересстрочной развертки с про-

странственно-временной дискретизацией исходного оптического изображе-

ния и с разложением на отдельные элементы (пиксели) в четном и нечетном

полукадрах;

- мгновенное значение амплитуды видеосигнала пропорционально

освещенности соответствующего элемента исходного оптического изобра-

жении, проецируемого на позиционно-чувствительный фотоприемник (ПЗС-

матрицу);

- растровая равномерная развертка видеокадра (четного и нечетного

полукадров), охватывает все элементы исходного оптического изображения,

проецируемого на ПЗС-матрицу;

- каждой точке видеокадра соответствует точка в плоскости контроли-

руемого объекта, перпендикулярной к оптической оси видеодатчика, что

служит основой для видеоизмерений.

20

Основные параметры стандартного телевизионного видеосигнала пред-

ставлены в таблице 1.

Таблица 1

Параметры стандартного телевизионного видеосигнала

Параметр Формула Значение 1 2 3

Число телевизионных строк в кадре, z 625

Число активных телевизионных строк в кадре,

zАКТ

575

Частота кадров fK, Гц 25

Частота полукадров fП, Гц 50

Формат кадра k=lP/hP 4:3

Период кадра, мс ТК=1/fК 40

Период полукадра, мс ТП=ТК/2 20

Относительная длительность обратного

хода кадровой развертки П/TtK=β 0,08

Длительность прямого хода кадровой

развертки, мс ППК )1( Tt β−= 18,4

Частота строк, Гц fC=zfK 15625

Период строки, мкс ТС=1/fC 64

Длительность строчного синхросигнала, мкс 4,7

Длительность кадрового гасящего

импульса, мкс

1600

Длительность прямого хода

строчной развертки, мкс

TПС= )1( α− ТС 52

Верхняя граничная частота спектра

видеосигнала, МГц )1(2)1(2

Г αβ

−−

= Kfkzf 7,37

21

Продолжение таблицы 1

Длительность элемента разложения, мкс )2/(1 ВfЭ =τ 0,068

Число активных элементов в строке АКТkznC = 767

Число активных элементов в кадре 2АКТkzN = 440833

Во время прямого хода кадровой развертки, длительность которого

равна tПК=(1-β)ТК, формируются активные телевизионные строки, число ко-

торых равно zАКТ=(1-β)z.

В каждой активной телевизионной строке выделяется время прямого

хода tПС=(1-α)ТС и время обратного хода tС=αTС.

Во время прямого хода строчной развертки формируется видеосигнал,

содержащий информацию о распределении освещенности элементов изобра-

жения вдоль текущей телевизионной строки.

Видеосигнал и синхросигналы разделены по времени и по уровням:

амплитуда видеосигнала может принимать любые значения в диапазоне от

уровня «белого» до уровня «черного», уровень синхросигналов - от уровня

«черного», на котором расположены их вершины, до уровня синхросигналов,

что в совокупности повышает надежность разделения их друг от друга.

2.2 Модель видеоизмерений

Модель видеоизмерений основана на типовой схеме видеоизмеритель-

ной системы, представленной на рисунке 2.2.

Визирная цель ВЦ, закрепленная на наблюдаемом объекте НО, нахо-

дится в поле зрения видеодатчика ВД, установленного в точке наблюдения

ТН, привязанной к местной координатной системе.

22

ВД Видеодатчик НО Наблюдаемый объект

ВП Видеопроцессор ОБ Объектив

ВС Вижеосигнал ПЗС Прибор с зарядовой связью

ВЦ Визирная цель ПК Компьютер

МВК Модуль видеокамерв ТН Точка наблюдения

Рисунок 2.2 – Типовая схема видеоизмерительной системы

На выходе видеодатчика, содержащего объектив ОБ и модуль видеока-

меры МВК с ПЗС-матрицей, формируется стандартный телевизионный ви-

деосигнал ВС, который по типовым каналам связи, включая спутниковые,

передается на рабочее место оператора РМО, содержащее видеопроцессор

ВП и компьютер ПК. Видеосигнал в видеопроцессоре ВП преобразуется из

аналоговой в цифровую форму, полученный массив цифровых данных пере-

дается в компьютер ПК, обрабатывается в нем специальной прикладной ком-

пьютерной программой и вычисляются искомые параметры видеоизмерений.

В результате координатная система из плоскости наблюдаемого объек-

та НО оптическим путем преобразуется в координатную систему видеодат-

чика ВД (ПЗС-матрицы) и электрическим путем – из координатной системы

23 видеодатчика ВД в координатную систему видеокадра. При этом каждой

точке с координатами XВК,YВК в координатной системе видеокадра соответ-

ствует точка с координатами XНО,YНО в плоскости наблюдаемого объекта

НО, что служит основой для видеоизмерений.

При выполнении видеоизмерений вычисляются координаты центра

изображения визирной цели ВЦ в координатной системе видеокадра, выра-

женные в условных единицах – дискретах (пикселях), после чего с учетом

масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей видеокадра

и координат точки наблюдения ТН в местной координатной системе - иско-

мые координаты визирной цели ВЦ, следовательно, и наблюдаемого объекта

НО в местной координатной системе.

Как правило, координатные оси XВДYВД видеодатчика ВД (видеокадра

ВК) устанавливаются параллельно координатным осям местной координат-

ной системы МК. При этом искомые координаты визирной цели ВЦ в коор-

динатной системе наблюдаемого объекта НО вычисляются по формулам:

МКВКYВЦ

МКВКXВЦ

YYkY

XXkX

+=

+=*

*

, (2.1)

где kX, kY - масштабные коэффициенты, определяемые на основе калибро-

вочных измерений, мм/дискрет; ** , ВКВК YX - координаты центра изображения визирной цели в видеокадре,

дискрет;

МКМК YX , – координаты видеодатчика ВД в местной координатной системе,

мм.

Масштабные коэффициенты kX,kY в качестве констант записываются в

«Опции» специальной прикладной компьютерной программы. При этом не

24 учитывается вклад оптических искажений объектива видеодатчика ВД в об-

щую погрешность видеоизмерений.

Однако, при выполнении высокоточных видеоизмерений указанный

вклад, главным образом, из-за дисторсии объектива видеодатчика может

быть существенным, ввиду чего в компьютерной программе в табличном ви-

де записывается несколько значений масштабных коэффициентов в соответ-

ствии с принятой кусочно-линейной аппроксимацией выходной нелинейной

характеристики видеодатчика, также определяемых на основе калибровоч-

ных измерений.

В соответствии с моделью видеоизмерений возможны следующие ва-

рианты функционирования видеоизмерительной системы:

• Видеодатчик ВД установлен на неподвижном основании, а наблю-

даемый объект НО перемещается с некоторой скоростью VНО.

Для того, чтобы погрешность видеоизмерений при вычислении коор-

динат наблюдаемого объекта не превышала допустимого значения Δ в соот-

ветствии с теоремой Котельникова частота видеоизмерений должна удовле-

творять неравенство:

∆≥ НОVf 2

. (2.2)

Например, при допустимой погрешности определения координат точки

наблюдаемого объекта и скорости его перемещения V=5мм/с, часто-

та видеоизмерений должна быть не менее 10Гц, которая не может обеспечи-

ваться с помощью традиционных и не всегда обеспечивается с помощью но-

вейших геодезических методов и средств измерений.

• Видеодатчик установлен на подвижном основании, перемещаемом

со скоростью VВД, что имеет место, например, при мониторинге деформаци-

25 онного состояния несущих конструкций тоннельного сооружения, когда ви-

деодатчик устанавливается в зоне измеряемых деформаций.

Указанное выше требование будет удовлетворено при выполнении

условия:

∆−

≥)(2 НОВД

ВИ

VVf . (2.3)

2.3 Математические основы видеоизмерений при

установке видеодатчика на неподвижном основании

Как уже отмечалось, при выполнении видеоизмерений на наблюдаемом

объекте НО закрепляется визирная цель ВЦ в виде круглого полупроводни-

кового светодиода, характеризуемого высокой надежностью (наработка до

отказа 100000час.), малыми габаритами (диаметр 5мм) и питанием от низко-

вольтного (3В), слаботочного (10мА) источника постоянного тока.

Если на наблюдаемом объекте закрепить одну визирную цель ВЦ, то по

известным формулам вычисляются:

• Координаты центра изображения визирной цели в видеокадре, вы-

раженные в условных единицах – дискретах (пикселях) и в линейной мере,

мм:

**

1

**

1

**

,

1,1

YkYХkX

Yn

YXn

Х

YХ

n

ii

n

ii

==

== ∑∑== , (2.4)

где n – число точек в бинаризированном изображении; *

i*,YХ i - координаты точек изображения в видеокадре, дискрет;

26

YХ , - координаты точек изображения, мм;

Y,kkХ – масштабные коэффициенты в направлениях координатных осей ви-

деокадра, мм/дискрет.

o Смещения визирной цели (наблюдаемого объекта) в направлениях

координатных осей видеокадра по известным формулам, мм:

)(

)(*

0*

*0

*

YYkY

ХХkХ

Y

Х

−=∆

−=∆, (2.5)

где *0

*0 ,YХ – начальные координаты центра изображения визирной цели в ви-

деокадре, дискрет.

o По полученным автором формулам, принимая во внимание, что на

телевизионной строке содержится n≈2d* контурных точек изображения

наблюдаемого объекта в видеокадре, вычисляется число дискретов (центров

изображений), выделяемых в направлениях координатных осей и в целом в

видеокадре,:

mKdNNN

mKdNN

mKdNN

YХ

YЦ

Х

*

*Y

*ЦХ

2

2

2

≈

≈

≈

. (2.6)

где d* - диаметр изображения в видеокадре, дискрет;

m – число изображений, обрабатываемых в видеокадре;

К – число видеокадров, обрабатываемых в каждом видеоизмерении.

27

Ряд параметров видеоизмерений с необходимой точностью вычисляют-

ся, руководствуясь схемой, представленной на рисунке 2.3, отражающей

принцип действия видеоизмерительной системы.

НО Наблюдаемый объект

ОБ Объектив

ПЗС Матрица с зарядовой связью

DХ, DY Диапазоны видеоизмерений в соответствующих координатных осей f Фокусное расстояние объектива ОБ видеодатчика ВД LХ, LY Текущая точка в плоскости наблюдаемого объекта НО

МХ, МY Эффективные размеры ПЗС-матрицы S Расстояние от видеодатчика ВД до наблюдаемого объекта НО φX, φY Визирные углы, под которыми наблюдаются соответствующие точки

X, Y Текущая точка в плоскости ПЗС-матрицы

X0, Y0 Координаты оптической точки пересечения оси объектива плоскости

ПЗС-матрицы

Рисунок 2.3 – Принцип действия видеоизмерительной системы

Левой жирной линией на рисунке показано поле зрения объектива ОБ

видеодатчика в плоскости наблюдаемого объекта НО, перпендикулярной к

28 оптической оси объектива, а правой - эффективный размер ПЗС-матрицы,

соответствующий этому полю зрения.

Величинами МХ(МY) обозначены эффективные размеры ПЗС-матрицы

в направлениях координатных осей Х,Y, а Х0(Y0) – координаты точки пере-

сечения оптической осью объектива ОБ плоскости ПЗС-матрицы.

Величинами DX(DY) обозначены диапазоны видеоизмерений в плоско-

сти наблюдаемого объекта НО в направлениях соответствующих координат-

ных осей, f – фокусное расстояние объектива ОБ видеодатчика ВД, S – рас-

стояние от видеодатчика ВД до наблюдаемого объекта НО, LX(LY) – текущая

(на момент видеоизмерений) точка в плоскости контролируемого объекта

НО, проецируемая на плоскость ПЗС-матрицы в точку с координатами X(Y)

и наблюдаемая под визирными углами )( YХ ϕϕ .

Из подобия соответствующих треугольников записываются следующие

известные соотношения:

Y

YY

X

XX

YY

XX

fNMYY

SL

fNMXX

SL

fM

SD

fM

SD

)(

)(

0

0

−=

−=

=

=

, (2.7)

на основе которых вычисляются следующие параметры видеоизмерений:

o Угловой диапазон видеоизмерений в направлениях координатных

осей видеокадра, радиан:

SDarctg

fMarctg

SDarctg

fMarctg

YYY

XXХ

==∆

==∆

ϕ

ϕ, (2.8)

29

где МХ, МY – эффективные размеры ПЗС-матрицы, мм;

f - фокусное расстояние объектива видеодатчика, мм;

DX, DY – диапазоны видеоизмерений, мм;

S – расстояние от видеодатчика до визирной цели, мм.

o Линейный диапазон видеоизмерений в направлениях координатных

осей видеокадра:

fMSD

fMSD

Y

ХХ

=

=

Y

. (2.9)

o Диаметр круглого изображения визирной цели в видеокадре, выра-

женный числом сканирующих его телевизионных строк, дискрет:

Y

Y

Х

Х

SMdfN

SMdfN

==*d , (2.10)

где d – диаметр визирной цели, мм.

o Визирные углы к координатным осям видеокадра, радиан:

)(

)(

*0

*

*0

*

YYfNMarctg

ХХfNMarctg

Y

YY

X

ХХ

−=

−=

ϕ

ϕ, (2.11)

30 где ** ,YX и *

0*0 ,YX - соответственно координаты точки изображения визирной

цели (контролируемого объекта) и координаты визирной оси видеодатчика в

видеокадре, дискрет.

o Расстояние между центрами изображений в видеокадре, дискрет,

мм:

2*

1*

222*

1*2

2

2*1

*2

2*1

*2

*

)()(

)()(

YYkXXkL

YYXХL

YX −+−=

−+−=, (2.12)

где *1

*1 ,YX и *

2*2 ,YX - координаты центров изображений визирных целей в ви-

деокадре, дискрет;

kX,kY – масштабные коэффициенты в направлениях координатных осей ви-

деокадре, мм/дискрет.

o Расстояние от видеодатчика до наблюдаемого объекта, мм:

0* SLCS −= , (2.13)

где С – константа, определяемая на основе калибровочных измерений,

мм×дискрет;

L*- расстояние между центрами изображений визирных целей ВЦ в видео-

кадре, дискрет;

0S – начальное расстояние (место «нуля» прибора), определяемое на основе

калибровочных измерений, мм.

31

Константа С может также рассчитываться по полученным автором

формулам:

Y

Y

X

X

MLfN

MLfNС == , (2.14)

где L – расстояние между центрами визирных целей, мм;

f – фокусное расстояние объектива видеодатчика, мм;

NХ=767, NY=565 – число дискретов, выделяемых в направлениях координат-

ных осей видеокадра, дискрет;

МХ,МY – эффективные размеры ПЗС-матрицы в направлениях координатных

осей видеокадра, мм.

o Относительная погрешность измерения расстояния от видеодатчика

ВД до наблюдаемого объекта при S0=0:

*

*

LL

SS ∆

−=∆

=η . (2.15)

o Углы линий, соединяющих центры изображений визирных целей в

видеокадре, радиан:

0,0,2

0

0,0,

0,Yarctg

12

12

12

12

12

12

≥≤−−

+=

≤

≤≥−−

+=

≥−−

=

ьзнаменателачислительеслиXXYYarctg

ьзнаменателичислительили

ьзнаменателачислительеслиXXYYarctg

ьзнаменателичислительеслиXXY

πϕ

πϕ

ϕ

. (2.16)

32

Если на наблюдаемом объекте закрепить четыре визирные цели, распо-

ложенные на окружности на взаимно перпендикулярных диаметрах, то по

полученным автором формулам вычисляются масштабные коэффициенты в

направлениях координатных осей видеокадра:

2*1

*3

2*2

*4

2*2

*4

2*1

*3

2*2

*4

2*1

*3

2*2

*4

2*1

*3

2*1

*3

2*2

*4

2*2

*4

2*1

*3

)()()()()()(XD

)()()Y()()()(

YYXXYYXXXXXk

YYXXYXYYYYYDk

Y

Х

−−−−−−−−

=

−−−−−−−−

=

, (2.17)

где *4

*4

*1

*1 ,X-, YYX - координаты центров изображений четырех визирных целей

в видеокадре, дискрет;

D – диаметр окружности, на которой установлены визирные цели, мм.

Они вычисляются решением системы уравнений:

22*2

*4

22*2

*4

2

22*1

*3

22*1

*3

2

)()(

)()(

DYYkXXk

DYYkXXk

YY

YX

=−+−

=−+−. (2.18)

По известным формулам вычисляются координаты точки видеокадра

при его повороте на угол φ, дискрет:

*

0***

*0

***

cossin

sincos

YYХY

ХYХХ

+−=

++=

ϕϕ

ϕϕ

ϕ

ϕ , (2.19)

где ** Y,Х - координаты точки до поворота видеокадра, дискрет; ** Y, ϕϕХ - координаты точки после поворота видеокадра, дискрет.

33

По полученной автором формуле (ПРИЛОЖЕНИЕ Б) вычисляется го-

ризонтальный угол при передаче заданного направления (азимутами) с одно-

го горизонта на другой, угл.сек.:

01

****

****1648000 ϕπ

ϕϕϕ

ϕϕ −+

−⋅= ∑

m

mmmm

mmmm

YYXXYXYX

arctgm

, (2.20)

где m – число визирных целей (окон матрицы круглых окон МКО);

0ϕ - начальный угол (место «нуля» прибора), угл.сек.

2.4 Математические основы видеоизмерений при

установке видеодатчика на подвижном основании

Как уже отмечалось, в ряде специальных задач прикладной геодезии

видеодатчик приходится устанавливать на подвижном основании, что требу-

ет исключения влияния подвижности видеодатчика на результаты видеоиз-

мерений.

Один из возможных решений подобной задачи может служить следу-

ющее:

- на наблюдаемом объекте устанавливается не одна, а несколько визир-

ных целей, расположенных, например, на окружности;

- с помощью специальной прикладной компьютерной программы в

центры изображений визирных целей вписывается вероятнейшая окруж-

ность, относительно которой определяются смещения контролируемых точек

наблюдаемого объекта, пропорциональные искомому деформационному со-

стоянию объекта.

34

При этом вычисляются:

o По известным формулам [62] координаты центра и радиус вероят-

нейшей окружности, вписанной в центры изображений визирных целей в ви-

деокадре, дискрет:

222*0

*0

*0

21

2121

CBAR

BY

АХ

++=

−=

−=

, (2.21)

где

222

2

222

2

222

2

2

2

2

bccdeneadabnbcfdefcegheadgabhC

bccdeneadabngccehcdfefnadhagnB

bccdeneadabnbchcdgdehegnfdbfnA

−+−−−++−−

=

−+−−−++−−

=

−+−−−++−−

=

, (2.22)

∑∑∑

∑∑∑∑∑

+−=+−=+−=

=====

m

mm

m

mmim

m

immmi

m

mm

m

im

m

m

m

m

m

m

YXhYXYgYXXf

YXeYdXcYbXa

1

2*2*

1

2*2**

1

2*2**

1

**

1

*

1

*

1

2*

1

2*

)(,)(,)(

,,,,,, (2.23)

где n – количество точек в изображении; **

m ,X mY - координаты центров изображений визирных целей в видеокадре,

дискрет.

35

o По известным формулам радиус *mR окружности, приведенной к

центру вероятнейшей окружности, и смещение ΔR (мм) точки от вероят-

нейшей окружности, соответственно дискрет и мм:

)(

)()(*0

*

2*0

*2*0

**

RRkR

YYXХR

m

mmm

−=∆

−+−= , (2.24)

где k – коэффициент, определяемый на основе калибровочных измерений.

o По известным формулам [62] смещение контролируемой точки

наблюдаемого объекта от вероятнейшей плоскости, вписанной в центры ви-

зирных целей, мм:

mmmm )(AX- CBYYY m ++=∆ , (2.25)

где

0

0

0A

111

111

2

1

1111

2

=−++

=−++

=−++

∑∑∑

∑∑∑∑

∑∑∑∑

===

====

====

n

ii

n

ii

n

ii

n

iii

n

ii

n

ii

n

iii

n

iii

n

ii

n

iii

n

ii

ZnCYBXA

ZYYCYBYXA

YXXCYXBX

, (2.26)

где mm ,,X ZYm - координаты центров изображений визирных целей, мм.

36 2.5 Связь между погрешностями видеоизмерений

и соответствующих геодезических измерений

Как уже отмечалось, погрешность геодезических измерений непосред-

ственно связана с погрешностью видеоизмерений, определяемой разрешаю-

щей способностью видеоизмерительной системы.

Угловое и линейное разрешения видеоизмерений и соответствующих

геодезических измерений в направлениях координатных осей видеокадра (в

горизонтальной и вертикальной плоскостях) вычисляются по известным

формулам:

Y

YY

X

XХ

Y

YY

ХХ

ND

ND

ND

N

==

==

δδ

ϕδϕδ ϕϕ

,

)(,)(DХ

. (2.27)

На основе многочисленных экспериментальных данных, полученных

при выполнении видеоизмерений, средняя квадратическая погрешность уг-

ловых и линейных видеоизмерений и соответствующих геодезических изме-

рений может вычисляться по полученным автором эмпирическим формулам:

δ

δϕϕ

22

≈

≈

mm . (2.28)

Представленные в настоящей главе математические зависимости, по-

мимо вычислений параметров узлов видеоизмерительных устройств и си-

стем, также служат основой для создания алгоритмов специальных приклад-

ных компьютерных программ, нацеленных на достижение конечного резуль-

тата измерений.

37

3 СРЕДСТВА ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ

3.1 Технические средства видеоизмерений

Типовая схема видеоизмерительной системы, представленная на ри-

сунке 2.2, выполнена в виде аппаратурно-программного комплекса, аппара-

турная часть которого содержит типовые промышленные узлы (объектив,

модуль видеокамеры, видеопроцессор, компьютер, блоки электропитания), а

основные функции выполняются на программном уровне - с помощью спе-

циальной прикладной компьютерной программы, записанной в энергонеза-

висимой памяти компьютера ПК [9,35,39].

Выходной стандартный телевизионный видеосигнал видеодатчика ВД,

содержащий изображение визирной цели ВЦ (наблюдаемого объекта), по ка-

бельному или иному каналу связи, включая спутниковый, передается в ви-

деопроцессор ВП, в котором преобразуется из аналоговой в цифровую форму

с последующей передачей полученных массивов цифровых данных в компь-

ютер.

Полученные массивы данных обрабатывается специальной прикладной

компьютерной программой и вычисляются искомые параметры видеоизме-

рений с выдачей конечного результата в реальном времени.

Результаты видеоизмерений отображаются на мониторе и записывают-

ся в архивном файле в энергонезависимой памяти компьютера.

РМО может располагаться на любом расстоянии от видеодатчика ВД,

что позволяет создавать интегрированные на большой площади видеоизме-

рительные системы с общим центром сбора и обработки информации.

38

В качестве визирной цели в видеоизмерительных системах, как уже

отмечалось, служит круглый полупроводниковый светодиод, питаемый ста-

билизированным постоянным током.

В качестве фотоприемника в видеодатчике служит модуль видеокаме-

ры с ПЗС-матрицей размером 1/3дюйма. Внешний вид модуля видеокамеры,

выполненного на печатной плате размером 32×32мм, массой около 15г пред-

ставлен на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Внешний вид модуля видеокамеры

с ПЗС-матрицей размером 1/3 дюйма (3,6×4,8мм)

ПЗС-матрица содержит большое число элементарных фотоприемников,

расположенных по строкам и столбцам прямоугольной матрицы [59,61], вви-

ду чего она может представляться в виде прямоугольной координатной си-

стемы.

Наибольшее распространение в видеоизмерительных системах получи-

ли модули видеокамеры с ПЗС-матрицей размером 1/3 (3,6×4,8мм) и 1/2

(4,8×6,4мм) дюймов.

Видеоизмерения могут выполняться на основе компьютерной обработ-

ки изображений (визирных целей) как в полукадре, так и в полном видеокад-

ре. При этом, как следует из таблицы 1, в полукадре и в видеокадре в направ-

лении координатной оси Х (в направлении телевизионных строк) могут вы-

39 деляться до 767 точек (пикселей), а в направлении координатной оси Y (пер-

пендикулярно телевизионным строкам) в полукадре - 287 или 288, а в видео-

кадре - 575 точек.

Следовательно, точность видеоизмерений в направлении координатной

оси Y при компьютерной обработке изображений в полном видеокадре вдвое

больше, чем в полукадре. Поэтому, если видеоизмерения необходимо выпол-

нять в направлении одной из координатных осей видеокадра (полукадра), то

их следует выполнять в направлении координатной оси Х видеокадра. При

этом обеспечиваются высокая точность и высокая частота видеоизмерений,

следовательно, и геодезических измерений.

В качестве первичного измерительного преобразователя в видеоизме-

рительных системах, как уже отмечалось, служит видеодатчик, в типовом

исполнении содержащий всего лишь объектив и модуль видеокамеры, от ха-

рактеристик которых существенно зависят параметры видеоизмерений.

Выбор объектива видеодатчика видеоизмерительной системы суще-

ственно влияет на параметры видеоизмерений.

Наиболее важными параметрами объектива являются фокусное рассто-

яние и дисторсия, от первого из которых зависят диапазоны линейных и уг-

ловых измерений, а от второго – линейность выходной характеристики, вли-

яющая на точность видеоизмерений.

В то же время погрешность видеоизмерений практически не зависит от

хроматической аберрации объектива, так как в качестве визирной цели, как

уже указывалось, используются полупроводниковые светодиоды, излучаю-

щие свет в узком спектре длин волн (λ≈0,64мкм).

В видеодатчике ВД предпочтительно использовать следующие объек-

тивы с малой дисторсией:

LM3NC1M, фокусное расстояние f=3,5мм, разрешение в центре 120

линий/мм, дисторсия D=0,4%.

LM35JC10M, фокусное расстояние f=35мм, разрешение в центре 200

линий/мм, дисторсия D=0,05%.

40

LM100JC10M, фокусное расстояние f=100мм, разрешение в центре 100

линий/мм, дисторсия D=-0,05%.

Важным для видеодатчика ВД и в целом для видеоизмерительной си-

стемы является выбор модульной видеокамеры, в качестве которой можно

использовать:

LMB-210HB Sony с ПЗС-матрицей размером 1/3 дюйма (3,6×4,8мм),

содержит 752 эффективных пикселей по горизонтали и 582 - по вертикали.

WAT-902HB2/2S с ПЗС-матрицей размером 1/2 дюйма (4,8×6,4мм), со-

держит 752 эффективных пикселей по горизонтали (в горизонтальной плос-

кости) и 582 - по вертикали (в вертикальной плоскости).

Параметры видеоизмерений также зависят от характеристик видеопро-

цессора, в качестве которого в большинстве созданных видеоизмерительных

систем использовался упомянутый ранее контроллер VS-2001/TV производ-

ства ЗАО НПЦ «Видеоскан», содержащий 8 каналов аналогового ввода и

обеспечивающий разрешающую способность 768 дискретов по горизонтали

(в направлении телевизионных строк в видеокадре) и 576 по вертикали (пер-

пендикулярно телевизионным строкам) при частоте ввода видеокадров 25

кадр/с.

Недостатком контроллера является необходимость его установки на

материнской плате компьютера для передачи массивов цифровых данных по

каналу прямого доступа к памяти, что существенно ограничивает выбор ком-

пьютера и исключает возможность использования портативного компьютера

(типа NoteBook) в видеоизмерительных системах.

Быстродействие компьютера непосредственно отражается на скорости

видеоизмерений (быстродействии видеоизмерительной системы). Во многих

созданных видеоизмерительных системах использовался компактный про-

мышленный компьютер типа NISE-3140 с процессором Intel Cor 2 Duo, с ча-

стотой шины 1066МГц и содержащий свободный разъем PCI на материнской

плате.

41

3.2 Программные средства видеоизмерений

Как уже отмечалось, работа видеоизмерительной системы осуществля-

ется под управлением специальной прикладной компьютерной программы

(далее – компьютерной программы), ввиду чего программные средства ви-

деоизмерений являются важной компонентой видеоизмерительной системы.

Большинство созданных компьютерных программ видеоизмерений

написаны на языке Borland C++ во взаимодействии с программой – драйвером

контроллера VS-2001/TV.

Пользовательский интерфейс компьютерных программ строится на

многооконном принципе, предоставляя оператору возможности для задания

начальных параметров и реализации различных режимов видеоизмерений в

простой диалоговой форме.

Большинство созданных компьютерных программ видеоизмерений

функционируют в операционной среде общего пользования Windows-XP/7,

что создает определенные трудности, например, по обеспечению необходи-

мой скорости обработки запросов на прерывания.

3.3 Надежность видеоизмерений

Надежность видеоизмерений, прежде всего, зависит от надежности вы-

деления изображения наблюдаемого объекта в видеокадре.

Как уже отмечалось, точки наблюдаемого изображения в видеокадре

характеризуются их координатами и яркостью.

Если яркость точек изображения больше яркости прочих точек видео-

кадра, то установкой оптимального порога яркости можно выделить и бина-

ризировать по яркости точки изображения, исходя из следующих условий:

42

- если порог яркости больше максимальной яркости точек видеокадра,

то ни одна точка видеокадра не будут выделена и бинаризирована по ярко-

сти, следовательно, будут невозможными видеоизмерения;

- если порог яркости установить ниже минимальной яркости точек ви-

деокадра, то будут выделены и бинаризированы по яркости все точки видео-

кадра и видеоизмерения также будут невозможными;

- если же порог яркости установить ниже яркости точек интересуемого

изображения в видеокадре, но выше яркости других точек, то будут выделе-

ны и бинаризированы по яркости точки наблюдаемого изображения (наблю-

даемого объекта) и видеоизмерения будут возможными, однако при доста-

точно высоком пороге яркости не все точки наблюдаемого изображения мо-

гут быть выделены, что неминуемо скажется на погрешности видеоизмере-

ний;

- оптимальным служит такой порог яркости, при котором выделяются и

бинаризируются по яркости все точки изображения наблюдаемого объекта и

не выделяются и не бинаризируются другие (фоновые) точки видеокадра.

На практике оптимальным служит порог яркости на уровне около 80%

от максимальной яркости точек изображения наблюдаемого объекта в видео-

кадре.

Следовательно, от установки оптимального порога яркости существен-

но зависят как возможность, так и погрешность видеоизмерений.

На рисунке 3.2 представлено окно компьютерной программы с исход-

ным и бинаризированным изображениями круглой визирной цели в видео-

кадре. При этом точки исходного изображения визирной цели в видеокадре

отображаются 256 условными градациями яркости, а бинаризированного

изображения – только двумя условными градациями яркости «0» или «1».

Порог яркости записывается в соответствующем окошке и вводится в

компьютерную программу с помощью виртуальной клавиши «Применить».

43

Для оптимизации порога яркости автором предложен алгоритм и сов-

местной с Бодунковым П.В. создана компьютерная программа, в которой за-

даются нижний и верхний пределы и шаг изменения порога яркости.

Рисунок 3.2 – Окно компьютерной программы с исходным и

бинаризированным изображениями визирной цели в видеокадре

Программой выполняются многократные измерения некоторого пара-

метра (например, расстояния между двумя точками видеокадра) при различ-

ных порогах яркости в заданных пределах и с заданным шагом.

На каждом шаге компьютерной программой вычисляются средние

квадратические отклонения (СКО) результатов отдельных измерений от их

средних значений и результаты вычислений отображаются в окне, представ-

ленном на рисунке 3.3.

44

Рисунок 3.3 – Окно компьютерной программы с

результатами измерений при различных порогах яркости

Оптимальным принимается порог яркости с минимальным СКО. В

приведенном примере он составляет 190-200 условных единиц яркости.

На практике случается, когда яркость точек изображения наблюдаемо-

го объекта в видеокадре не является максимальной и присутствуют точки с

большей яркостью (в поле зрения видеодатчика наблюдается более яркий

объект). При этом установка оптимального порога яркости становится не-

возможной и приходится решать соответствующую задачу.

Она решается установкой рамки измерений, охватывающей изображе-

ние наблюдаемого объекта в видеокадре так, что в ее пределах яркость точек

наблюдаемого объекта больше яркости других точек. При этом оптимальный

порог яркости устанавливается в пределах рамки измерений. Однако возни-

кает новая задача, связанная с возможным перемещением изображения

наблюдаемого объекта за пределы установленной рамки измерений, которая

решается с помощью «плавающей» рамки реализуемой на основе следующей

последовательности действий:

- при выполнении каждого видеоизмерения компьютерной программой

вычисляются текущие (на момент выполнения видеоизмерений) координаты

45 центра наблюдаемого изображения в видеокадре (в пределах установленной

рамки измерений);

- центр рамки измерений перемещается в точку с вычисленными коор-

динатами и так при каждом видеоизмерении.

Окно компьютерной программы с исходным и бинаризированным в

пределах рамки измерений круглым изображением визирной цели представ-

лено на рисунке 3.4.

Рисунок 3.4 – Окно компьютерной программы с исходным

и бинаризированным внутри рамки измерений

изображениями визирной цели

Надежность видеоизмерений также обеспечивается выполнением ком-

пьютерной программой ряда следующих контрольных функций:

46

o Проверяется наличие видеосигнала путем контроля наличия кадро-

вого импульса, причиной отсутствия которого может служить, например, от-

ключение электропитания видеодатчика.

o Проверяется наличие точек наблюдаемого изображения в видео-

кадре (внутри рамки измерений), причиной отсутствия которых может слу-

жить, например, нарушение условия прямой видимости между наблюдаемым

объектом (визирной целью) и видеодатчиком.

o Проверяется соответствие площади (количества точек) наблюдае-

мого изображения в видеокадре (внутри рамки измерений) заданным преде-

лам, причиной несоответствия которой может служить, например, наличие

паразитной засветки (блика) в поле зрения видеодатчика или загрязнение ви-

зирной цели.

o Проверяется положение наблюдаемого изображения в видеокадре

(положение контролируемого объекта в поле зрения видеодатчика) заданным

пределам. Отклонение от этих пределов требует принятия мер по приведе-

нию наблюдаемого объекта в исходное положение в поле зрения видеодатчи-

ка, либо дополнительной юстировке видеодатчика.

Результаты выполнения контрольных функций в закодированном виде

записываются в архивном и выходном файлах компьютерной программы для

последующего их анализа и принятия соответствующих мер.

3.4 Основные источники погрешности видеоизмерений

Основными источниками погрешности видеоизмерений является дей-

ствие ряда внешних и внутренних факторов.

К внешним факторам относятся:

47

Условие прямой видимости между контролируемым объектом и ви-

деодатчиком. Оно может изменяться, например, их-за дождя, снега, тумана и

др. и при этом возможность видеоизмерений может исключаться. Действие

этого фактора может быть значительно снижено, если видеоизмерения вы-

полнять многократно с последующей статистической обработкой результатов

измерений, а также выполнять при различных длинах волн света, в частно-

сти, в инфракрасном диапазоне для видеоизмерений во время тумана.

Боковая рефракция, смещающая луч света, что служит источником

погрешности видеоизмерений. В определенной мере действие этого фактора

может быть компенсировано как и в предыдущем случае, выполнением мно-

гократных видеоизмерений.

Нестабильность положения видеодатчика, влияние которой тем

больше, чем больше расстояние от видеодатчика до наблюдаемого объекта.

Действие этого фактора устраняется, если видеодатчик устанавливать,

например, на глубинном геодезическом знаке.

Фон, наблюдаемый за контролируемым объектом (за визирной целью).

От него зависит яркость точек фонового изображения в видеокадре, которая

должна быть меньше пороговой яркости. Наилучшим способом устранения

действия этого фактора является создание искусственного темного фона за

наблюдаемым объектом (за визирной целью).

Паразитная засветка (блик) видеодатчика, искажающая изображение

наблюдаемого объекта в видеокадре. Одним из способов устранения влияния

этого фактора является установка бленды на объективе видеодатчика.

К внутренним факторам относятся:

Оптические искажения объектива видеодатчика, влияющие на посто-

янство масштабных коэффициентов в направлениях координатных осей ви-

деокадре. Действие этого фактора может быть значительно ослаблено, если

видеоизмерения выполнять вблизи оптической оси (параксиальной области)

объектива. Оно может быть также ослаблено введением в компьютерную

программу поправочных таблиц с соответствующими масштабными коэффи-

48 циентами для кусочно-линейной аппроксимации характеристики оптических

искажений.

Температурная зависимость геометрических параметров ПЗС-

матрицы, также влияющая на постоянство масштабных коэффициентов. С

учетом коэффициента линейного расширения кристалла кремния 4,7.10-6/0С,

на котором создается ПЗС-матрица, при перепаде температур 500С относи-

тельное изменение ее линейных размеров составит около 2,4.10-4, что вдвое

больше относительной погрешности видеоизмерений (10-4). Действие этого

фактора в определенной мере может быть компенсировано, например, про-

должительным прогревом видеодатчика - выполнением видеоизмерений по

истечении не менее 45мин. после включения электропитания.

Экспериментальные исследования температурной зависимости гео-

метрических параметров ПЗС-матрицы типа ICX415AL Sony (размер пикселя

8,3х8,3мкм), выполненные в ЗАО НПК «Видеоскан» [56], показали, что в те-

чение 3час. после включения электропитания положения пикселей менялись

в среднем на 0.8мкм (0,1 пикселя), что соответствует упомянутой относи-

тельной погрешности 0,1/767≈10-4.

Нестабильность и неравномерность чувствительности элементарных

фотоприемников ПЗС-матрицы, которая для большинства доступных моду-

лей видеокамер не превышают 10-20%. Эти факторы влияют на величины

амплитуд выходных сигналов элементарных фотоприемников, что может

служить источником погрешности видеоизмерений.

Действие этих факторов может быть заметно ослаблено, если увели-

чить размер (площадь) изображения наблюдаемого объекта в видеокадре и

тем самым увеличить количества точек в изображении.

Нестабильность яркости визирной цели, влияющая на амплитуду ви-

деосигнала. Влияние этого фактора на точность видеоизмерений практически

исключается, если в качестве визирной цели использовать полупроводнико-

вый светодиод, питаемый стабилизированным током, и выполнять контроль

площади его изображения в видеокадре.

49

Неопостоянство шага элементарных фотоприемников ПЗС-матрицы в

направлениях координатных осей ПЗС-матрицы, приводящее к неодинаково-

сти масштабных коэффициентов в направлениях этих осей. Действие этого

фактора устраняется введением в компьютерную программу соответствую-

щих масштабных коэффициентов, определяемых на основе калибровочных

измерений.

Нестабильность порога яркости, влияющая на точность видеоизме-

рений при несимметричной форме видеосигнала, как следует из рисунка 3.5.

Е Порог яркости

ΔЕ Нестабильность порога яркости

ВС Видеосигнал

Рисунок 3.5 - Влияние нестабильности порога яркости на точность

видеоизмерений при несимметричной форме видеосигнала

Исходя из того, что координата центра изображения наблюдаемого

объекта на телевизионной строке в видеокадре определяется как среднее зна-

чение координат передней (по ходу телевизионной строки в видеокадре) ХП

и задней ХЗ контурных точек, нестабильность порога яркости ΔЕ приводит к

погрешности вычисления координаты центра упомянутого изображения на

величину ΔХЦ=ΔХП-ΔХЗ.

Действие этого фактора устраняется, если обеспечить стабильность по-

рога яркости, что легко реализуется на практике.

50

Параметры компьютерной программы, включая порог яркости, чис-

ло видеокадров, обрабатываемых в каждом видеоизмерении и число видео-

измерений, средний результат которых служит в качестве конечного резуль-

тата видеоизмерений.

С увеличением числа видеокадров, обрабатываемых в каждом видео-

измерении, и числа видеоизмерений, средний результат которых служит в

качестве конечного результата видеоизмерений, существенно повышается

точность видеоизмерений, но также уменьшается частота видеоизмерений,

ввиду чего при задании параметров видеоизмерений необходимо принятие

компромиссного решения в зависимости от решаемой специальной приклад-

ной геодезической задачи.

51

4 МЕТОДЫ ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ И ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ

СИСТЕМЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЗАДАЧ

ПРИКЛАДНОЙ ГЕОДЕЗИИ НА РАЗЛИЧНЫХ СООРУЖЕНИЯХ

4.1 Метод видеоизмерений и видеоизмерительная система для


Монумента в парке Победы на Поклонной горе в Москве

Ветровая нагрузка, солнечная радиация и другие факторы приводят к

отклонениям и колебаниям верха высотного сооружения, которые могут со-

здавать в несущих конструкциях опасные остаточные деформации, ввиду че-

го выполнение систематических измерений (мониторинга) указанных пара-

метров является актуальной задачей, решение которой обеспечивает надеж-

ную эксплуатацию сооружения.

Мониторинг плановых и крутильных колебаний осуществляется с по-

мощью видеоизмерительной системы, схема которой представлена на рисун-

ке 4.1 [9,12,16,20,25,35,39,50]. Она выполнена по типовой схеме рисунка 1.2

и содержит визирные цели ВЦ1-ВЦ3, установленные на высоте h=142м, и ви-

деодатчик ВД, установленный в основании Монумента под иллюминатором

ИЛ, вмонтированным в крышу технического помещения так, что визирные

цели постоянно находятся в поле зрения видеодатчика.

Выходной стандартный телевизионный видеосигнал от видеодатчика с

помощью коаксиального кабеля передается на рабочее место оператора РМО,

содержащее видеопроцессор ВП и компьютер ПК с записанной в его энерго-

независимой памяти специальной прикладной компьютерной программой.

52

ВД Видеодатчик ИЛ Иллюминатор

ВП Видеопроцессор ПК Компьютер

ВС Видеосигнал РМО Рабочее место оператора

ВЦ Визирная цель

Рисунок 4.1 - Схема видеоизмерительной системы для


Монумента в парке Победы на Поклонной горе в Москве

Монумент, внешний вид которого представлен на рисунке 4.2, выпол-

нен в виде металлического сооружения высотой 143м, символизирующего

трехгранный штык.

Видеодатчик, внешний вид которого представлен на рисунке 4.3, со-

держит объектив типа «МС Рубинар 4,5/300 Макро» с фокусным расстояни-

ем f=300мм и модуль видеокамеры с ПЗС-матрицей 1/3 дюйма (МХ=4,8мм,

МY=3,6мм).

Визирные цели, выполненные в виде круглых полупроводниковых све-

тодиодов диаметром d=20мм, установлены на одной линии с шагом

L=300мм.

53

Рисунок 4.2 – Главный Монумент в парке Победы

на Поклонной горе в Москве

Рисунок 4.3 – Видеодатчик

Визирная ось видеодатчика установлена вертикально, а координатные

оси (координатные оси ПЗС-матрицы) ориентированы в направлениях Се-

вер–Юг и Запад-Восток.

Измерения выполняются в спокойное время суток (в полночь), резуль-

таты измерений записываются в архивном файле и отображаются на монито-

ре компьютера.

54

Если отклонения верха Монумента не превышают порогового значе-

ния, то соответствующие точки на мониторе компьютера отображаются зе-

леным, в противном случае – красным цветами.

Значение порогового отклонения и число точек, отображаемых на мо-

ниторе компьютера, задаются в «Опции» компьютерной программы. После

вывода на монитор компьютера заданного числа точек каждая последующая

заменяет наиболее раннюю, реализуя «рулонный режим». В результате на

мониторе компьютера отображается облако точек, которое растягивается в

направлениях наибольших отклонений верха сооружения подобно «розе вет-

ров».

В качестве видеопроцессора в видеоизмерительной системе служит

контроллер типа VS-56/1 производства ЗАО НПК «Видеоскан» [66], который

устанавливается в свободный разъем ISA на материнской плате компьютера

для передачи соответствующих массивов цифровых данных по каналу пря-

мого доступа к памяти компьютера.

В соответствии с представленной схемой амплитуды параллельных

смещений изображений визирных целей в видеокадре без учета влияния про-

чих факторов пропорциональны амплитудам плановых колебаний, а ампли-

туды поворотов вокруг общего центра – амплитудам крутильных колебаний

верха Монумента, что служит основой для видеоизмерений.

Выходной видеосигнал видеодатчика в контроллере преобразуется из

аналоговой в цифровую форму, полученный массив цифровых данных пере-

дается в компьютер, обрабатывается в нем под управлением специальной

прикладной компьютерной программы и вычисляются искомые параметры

видеоизмерений.

На начальном этапе при выполнении калибровочных измерений (при

вводе видеоизмерительной системы в эксплуатацию) в ночное время и в без-

ветренную погоду (в спокойное время суток) компьютерной программой вы-

числяются:

55

Шаг 1. По (2.4) начальные координаты *03

*03

*01

*01 ,, YXYХ − центров и

начальные координаты *0

*0 ,YХ общего центра изображений визирных целей в


Шаг 2. По (2.12) расстояние L* между центрами крайних визирных це-

лей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. Масштабный коэффициент в видеокадре, мм/дискрет:

*XL

Lk = , (4.1)

где L – расстояние между центрами крайних визирных целей, мм;

L* - расстояние между центрами изображений визирных целей в видеокадре,

дискрет.

Шаг 4. Начальные отклонения верха сооружения в направлениях коор-

динатных осей в видеокадре, мм:

*

00

*00

)(

)(

YkЮгСеверYXkВостокЗападX

Y

X

=−

=−, (4.2)

где *0

*0 ,YХ - начальные координаты общего центра изображений визирных це-

лей в видеокадре, дискрет.

Шаг 5. По (2.16) начальный угол 0ϕ поворота верха Монумента вокруг

вертикальной оси сооружения (вокруг общего центра изображений визирных

целей в видеокадре), выраженный в радианах, который записывается в «Оп-

ции» компьютерной программы в качестве константы.

При выполнении рабочих измерений специальной прикладной компь-

ютерной программой вычисляются:

56

Шаг 1. По (2.4) текущие (на момент выполнения измерений) координа-

ты 3311 ,, YXYХ − центров и координаты YХ , общего центра изображений ви-

зирных целей в видеокадре, мм.

Шаг 2. По (2.5) искомые отклонения верха сооружения в направлениях

координатных осей видеокадра (Запад - Восток, Север - Юг), мм:

0

0

)(

)(

YYЮгСеверYXXВостокЗападX

−=−∆

−=−∆ . (4.3)

Шаг 3. По (2.16) текущий (на момент выполнения измерений) угол φ

поворота верха сооружения вокруг вертикальной оси (вокруг общего центра

изображений визирных целей в видеокадре), выраженный в радианах.

Шаг 4. Искомый угол поворота верха сооружения, угл.град.:

)(1800ϕϕ

πϕ −=∆ . (4.4)

Результаты видеоизмерений, как уже упоминалось, записываются в ар-

хивном файле в энергонезависимой памяти компьютера. Ретроспективный

анализ архивных данных позволяет вычислять амплитуды плановых и кру-

тильных колебаний в течение срока эксплуатации сооружения, а наблюдае-

мый тренд свидетельствует о наличии или отсутствии остаточных деформа-

ций в конструкции Монумента.

В соответствии с приведенными исходными данными вычисляются

следующие параметры видеоизмерений:

- по (2.9) линейные диапазоны видеоизмерений отклонений верха со-

оружения от начального положения в направлениях координатных осей ви-

деокадра DX=2300мм, DY=1700мм;

- по (2.10) диаметр изображения визирной цели в видеокадре

d*=7дискрет;

57

- по (2.6) число дискретов (центров изображений визирных целей), вы-

деляемых в направлении координатной оси Х видеокадра при компьютерной

обработке m=3 изображений визирных целей в К=1 видеокадров в каждом

видеоизмерении N=700дискрет;

- по (2.27) и (2.28) угловое и линейное разрешения и СКП видеоизме-

рений и соответствующих геодезических измерений δφ=3,7угл.мин.,

mφ=7,4угл.мин., δ=0,3мм и m=0,6мм.

Видеоизмерительная система эксплуатируется с 1997г.

С помощью приведенной схемы можно измерять отклонения от верти-

кали и колебания не только верха, но и других частей сооружения, на кото-

рых закрепляются визирные цели, находящиеся в поле зрения видеодатчика

так, чтобы их изображения в видеокадре не перекрывали друг друга.

На основе контрольных измерений определены следующие параметры

видеоизмерительной системы:

Диапазон угловых измерений, угл.град., не менее ±10

СКП угловых измерений, угл.мин., не более 7

Диапазон линейных измерений, мм, не менее ±800

СКП линейных измерений, мм, не более 1

Частота видеоизмерений, Гц 6


для контроля плановых координат рабочих точек антенн

фазово-корреляционного пеленгатора

При действии ветровой нагрузки, солнечной радиации и других факто-

ров меняется геометрия антенного комплекса, содержащего несколько ан-

тенн, расположенных на значительном удалении друг от друга, что отражает-

ся на его технических характеристиках. Поэтому решение задачи выполнения

58 систематических измерений (мониторинга) взаимных положений антенн ан-

тенных комплексов в местной координатной системе является актуальной и

служит для стабилизации параметров сооружения в течение всего срока экс-

плуатации.

Контроль плановых координат рабочих точек антенн фазово-

корреляционного пеленгатора осуществляется с помощью видеоизмеритель-

ной системы, схема которой представлена на рисунке 4.4 [11,22,32-33,35,39].

ВД Видеодатчик ГЗ Геодезический знак

ВМ Визирная марка ПК Компьютер

ВП Видеопроцессор РМО Рабочее место оператора


Рисунок 4.4 - Схема видеоизмерительной системы для оперативного

контроля координат рабочих точек антенн антенных комплексов

Три измерительные антенны установлены в вершинах равнобедренного

прямоугольного треугольника, а четвертая калибровочная - в середине гипо-

тенузы длиной 85м.

В рабочих точках РТ антенн установлены визирные марки ВМ, нахо-

дящиеся в полях зрения видеодатчиков ВД, установленных на геодезических

59 знаках ГЗ, расположенных под антеннами. Схема также содержит рабочее

место оператора РМО с видеопроцессором ВП, компьютером ПК и специ-

альной прикладной компьютерной программой, записанной в энергонезави-

симой памяти компьютера.

Видеодатчики содержат объективы типа «МС Юпитер-37АМ» с фо-

кусным расстоянием f=135мм и модули видеокамеры с ПЗС-матрицами раз-

мером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм). В качестве визирных целей в ви-

зирных марках служат m=5 полупроводниковых светодиода диаметром

d=5мм. При этом четыре визирные цели, установленные на окружности диа-

метром D=25мм, служат для калибровочных измерений, а центральная – в

качестве рабочей. Визирные марки установлены на высоте h=3,6м над видео-

датчиком. В качестве видеопроцессора на рабочем месте оператора исполь-

зуется контроллер типа VS-2001/TV производства ЗАО «Видеоскан» [66].

Внешний вид антенного комплекса, отмеченного стрелкой, представ-

лен на рисунке 4.5.

Рисунок 4.5 – Антенный комплекс, отмеченный стрелкой

Внешний вид видеодатчика, установленного на геодезическом знаке,

представлен на рисунке 4.6.

60

Рисунок 4.6 - Видеодатчик, установленный на геодезическом знаке

Видеодатчик крепится под втулкой геодезического знака, через кото-

рую в поле зрения видеодатчика находится визирная марка с визирными це-

лями, установленная в рабочей точке антенны. Такая конструкция позволяет

выполнять регламентные геодезические измерения без демонтажа видеодат-

чика.

Положение центральной визирной цели в видеокадре и на мониторе

компьютера без учета влияния прочих факторов соответствует искомому

плановому положению РТ антенны относительно геодезического знака, что


Выходные стандартные телевизионные видеосигналы ВС1-ВС4 по ко-

аксиальным кабелям передаются на рабочее место оператора РМО, преобра-

зуются в видеопроцессоре из аналоговой в цифровую форму, полученные

массивы цифровых данных по каналу прямого доступа записываются в па-

мяти компьютера, обрабатываются в нем под управлением специальной

прикладной компьютерной программы и вычисляются искомые параметры

видеоизмерений, которые записываются в архивном файле в энергонезави-

симой памяти компьютера. Кроме того, они записываются в выходном фай-

ле, доступном для чтения из местной локальной сети.

61

Исходное окно специальной прикладной компьютерной программы

представлено на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 - Исходное окно компьютерной программы

В окне отображаются четыре бинаризированных изображений рабочих

визирных целей в видеокадрах и результаты вычислений плановых коорди-

нат Х1,Y1-Х4,Y4 рабочих точек четырех антенн относительно геодезических

знаков, привязанных к местной координатной системе, и средние квадрати-

ческие отклонения (СКО) результатов отдельных измерений от их средних

значений.

Окно также содержит ряд виртуальных клавиш, с помощью которых

реализуются различные режимы видеоизмерений и открываются другие ок-

на.

На рисунке 4.8 представлено окно «Опции», в котором для каждого ка-

нала измерений (для каждой антенны) устанавливаются следующие исход-

ные параметры видеоизмерений:

62

Рисунок 4.8 - Окно «Опции» компьютерной программы

- диаметр окружности D, на которой расположены визирные цели в ви-

зирной марке;

- масштабные коэффициенты kХ,kY (Цена Х, цена Y) в направлениях

координатных осей видеокадра;

- начальные координаты рабочей визирной цели (Хо, Yо) относительно

геодезического знака;

- каналы измерений;

- размеры изображений рабочих визирных целей, выраженные количе-

ством содержащихся в них точек;

- коэффициент (0,8), определяющий до какого числа точек может ме-

няться размер изображения рабочей визирной цели;

- число видеокадров, обрабатываемых в каждом видеоизмерении;

- количество видеоизмерений, средний результат которых служит ко-

нечным результатом видеоизмерений.

Так как видеодатчики на геодезических знаках установлены произ-

вольным образом, то их координатные системы ориентированы в местной

координатной системе произвольно. Ввиду этого на начальном этапе выпол-

63 няется привязка координатных систем видеодатчиков к местной координат-

ной системе определением значений sinφ и cosφ, где φ – угол поворота коор-

динатной системы видеодатчика в местной координатной системе, и значе-

ний Хо,Yо – начальных смещений координатных систем видеодатчиков от

геодезических знаков. Привязка координатных систем видеодатчиков к гео-

дезическим знакам (в местной координатной системе) выполняется с помо-

щью оптического центрира в безветренную погоду и в ночное время суток.

Привязка координатных систем видеодатчиков к местной координат-

ной системе, осуществляется путем определения координат ГЗГЗГЗГЗ YХYХ 5511 ,, −

рабочих визирных целей визирных марок, после чего с помощью специаль-

ной прикладной компьютерной программы вычисляются:

Шаг 1. По (2.4) координаты *5

*5

*1

*1 ,, YХYХ − центров изображений визир-

ных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.17) масштабные коэффициенты YХ kk , в направлениях ко-

ординатных осей видеокадра, мм/дискрет.

Шаг 3. Искомые параметры привязки координатных систем видеодат-

чиков (видеокадров) к координатным системам геодезических знаков:

ϕδϕδ

ϕδϕδ

δδδδ

ϕ

δδδδ

ϕ

cossin

sincos

)()()()()()(

cos

)()()()()()(

sin

5550

5550

231

231

31313131

231

231

31313131

YXYYYХХХ

YYХХYYYYХХХХ

YYХХХХYYYYХХ

YXUP

YХГЗ

YX

ГЗГЗY

ГЗГЗX

YX

ГЗГЗY

ГЗГЗX

−−=

+−=

−+−−⋅−+−⋅−

=

−+−−⋅−−−⋅−

=

. (4.5)

Полученные значения записываются в «Опции» компьютерной про-

граммы в качестве констант.

При выполнении рабочих измерений компьютерной программой вы-

числяются:

64

Шаг 1. По (2.4) координаты 55 ,YХ центра изображения рабочей визир-

ной цели ВЦ5 в видеокадре, мм.

Шаг 2. Искомые координаты рабочих точек антенн в местной коорди-

натной системе (в координатной системе геодезического знака), мм:

ϕϕ

ϕϕ

cossin

sincos

550

550

YХYYYХХХ

РТ

РТ

++=

−+=. (4.6)



- по (2.9) линейный диапазон видеоизмерений в направлении коорди-

натной оси Х видеокадра DХ=130мм;


d*=18дискрет;

- по (2.6) число дискретов, выделяемых в направлении координатной

оси Х видеокадра при компьютерной обработке m=1 изображений визирных

целей в К=4 видеокадрах N=9200дискрет;

- по (2.27) и (2.28) линейное разрешение и СКП видеоизмерений и со-

ответствующих геодезических измерений δ=0,01мм и m=0,02мм.

По приведенной схеме созданы четыре видеоизмерительные системы,

успешно эксплуатируемые в Московской области и в Красноярском крае.



Диапазон измерений, мм, не менее ±25

СКП видеоизмерений, мм, не более 0,1

Частота измерений, Гц 1

65


для контроля высотных положений узлов сооружения

Контроль осуществляется с помощью видеогидростатического нивели-

ра [12,17,50-51,57,65], схема которого, представленная на рисунке 4.9, со-

держит видеодатчики видеоуровнемера [1-2,4,13,16,35,39], с помощью кото-

рых измеряются уровни жидкости в сосудах.

ВД Видеодатчик МВ Модуль видеокамеры


ВС Видеосигнал ПК Компьютер

ВЦ Визирная цель РМО Рабочее место оператора

Рис.4.9 - Схема видеогидростатического нивелира

На сосудах, закрепленных на контролируемых узлах сооружения, на

оптически прозрачных окнах установлены упомянутые видеодатчики ВД1-

66 ВДn видеоуровнемера, содержащие объектив ОБ, модуль видеокамеры МВ с

ПЗС-матрицей и визирные цели ВЦ в виде круглых полупроводниковых све-

тодиодов, установленных на окружности вокруг объектива ОБ.

Схема также содержит рабочее место оператора РМО, содержащее ви-

деопроцессор ВП, компьютер ПК и специальную прикладную компьютерную

программу, записанную в энергонезависимой памяти компьютера.

Изображения визирных целей, отраженные от поверхности жидкости, с

помощью объектива ОБ проецируются на ПЗС-матрицу, в результате чего в

видеокадре в выходном стандартном телевизионном видеосигнале ВС видео-

датчика ВД содержатся изображения визирных целей, расположенные на

окружности, диаметр которой без учета влияния прочих факторов обратно

пропорционален измеряемому уровню жидкости в сосуде, что служит осно-

вой для видеоизмерений.

Выходные стандартные телевизионные видеосигналы ВС1-ВСn видео-

датчиков ВД1-ВДn передаются на рабочее место оператора РМО, преобразу-

ются в видеопроцессоре ВП из аналоговой в цифровую форму, полученные

массивы цифровых данных передаются в компьютер, обрабатываются в нем

под управление специальной прикладной компьютерной программы и вы-

числяются искомые высотные положения контролируемых узлов сооруже-

ния.

Если один из видеодатчиков установить на неподвижном основании,

например, на глубинном геодезическом знаке, то можно определять не толь-

ко относительные (относительно некоторой «нулевой» отметки), но и абсо-

лютные (относительно геодезического знака) высотные положения контро-

лируемых узлов сооружения.

Автором разработаны следующие варианты конструкции видеодатчика

видеогидростатического нивелира.

67

Видеодатчик с одной или несколькими парами визирных целей [1],

схема которого, представленная на рисунке 4.10.

ВД Видеодатчик ВЦ Визирная цель

ВК Видеокадр МВ Модуль видеокамеры

ВС Видеосигнал ОБ Объектив

Рисунок 4.10 - Схема видеодатчика

видеоуровнемера с двумя визирными целями

Схема содержит пару визирных целей ВЦ1-ВЦ2, расположенных на

противоположных сторонах объектива ОБ.

Расстояние L между центрами изображений визирных целей в видео-

кадре ВК, выраженное в дискретах, без учета влияния прочих факторов об-

ратно пропорционально измеряемому уровню жидкости, что служит основой

для видеоизмерений.

Если в видеодатчике установить несколько пар визирных целей, то

можно будет весь диапазон измерений разделить на несколько поддиапазо-

нов, что повышает точность видеоизмерений.

Видеодатчик порогового видеоуровнемера [2], схема которого, пред-

ставленная на рисунке 4.11, содержит одну визирную цель ВЦ в виде кругло-

го полупроводникового светодиода, закрепленного на фиксированном рас-

стоянии от объектива ОБ.

68


ВИ Видеоимпульс ОБ Объектив

ВС Видеосигнал РУ Регистрирующее устройство

ВЦ Визирная цель СИ Строчный импульс

Д Дискриминатор СС Селектор сигналов

И Схема умножения СЧ Счетчик

КИ Кадровый импульс Т Триггер

Рисунок 4.11 - Схема видеодатчика порогового видеоуровнемера

Схема также содержит регистрирующее устройство РУ в виде элек-

тронной схемы, содержащей селектор синхросигналов СС, выделяющий из

стандартного телевизионного видеосигнала ВС видеоимпульсы ВИ, строч-

ные импульсы СИ и кадровые импульсы КИ, а также счетчик СЧ, считающий

строчные импульсы (телевизионные строки), дешифратор Д, две логические

схемы «И» и RS-триггер Т.

Состояние триггера Т меняется в зависимости от уровня жидкости в

сосуде ВГС, что служит основой для видеоизмерений.

При изменении уровня жидкости в сосуде изображение визирной цели

в видеокадре перемещается перпендикулярно телевизионным строкам (в

направлении координатной оси Y видеокадра), в результате чего меняется

число телевизионных строк, отсчитанных в счетчике СЧ. Когда их число

станет больше или равно заданному в дешифраторе Д значению, срабатывает

триггер Т и уровень выходного сигнала РУ из логического состояния «0» пе-

69 реходит в логическое состояние «1», что служит сигналом, например, о пре-

вышении предельного значения контролируемого узла сооружения.

Видеодатчик с одним или несколькими кольцевыми источниками

света [4], схема которого представлена на рисунке 4.12.

Схема содержит кольцевой источник света КИС, расположенный во-

круг объектива ОБ. При этом в видеокадре ВК наблюдается изображение в

виде кольца, диаметр которого без учета влияния прочих факторов обратно

пропорционален измеряемому уровню жидкости, что служит основой для


ВД Видеодатчик КИС Круговой источник света

ВК Видеокадр МВ Модуль видеокамеры

ВС Видеосигнал ОБ Объектив

Рисунок 4.12 - Схема видеодатчика

видеоуровнемера с кольцевым источником света

Вариант видеогидростатического нивелира на 512 каналов измерений

(видеодатчиков) был разработан автором для Бурейской ГЭС. Соответству-

ющая схема, представленная на рисунке 4.13, имеет магистрально-

модульную структуру, позволяющую наращивать каналы видеоизмерений,

не нарушая работу существующих.

.

70

БП Блок питания КК Кодовый коммутатор

ВД Видеодатчик КН Контроллер


Рисунок 4.13 - Схема считывания информации видеогидростатического

нивелира, содержащего до 512 видеодатчиков видеоуровнемера

Одновременно по общим для каждой группы кабелям К2.1-К2.8 осу-

ществляется электропитание, а по кабелям К3.1-К3.8 типа "витая пара" про-

изводится передача кода адреса видеодатчиков.

Передаваемый по общему кабелю адрес дешифруется в коммутаторе

КК, адрес которого совпадает с передаваемым адресом, и видеосигнал только

одного видеодатчика передается по общему кабелю на соответствующий

аналоговый вход упомянутого выше контроллера типа VS-2001/TV.

Видеосигналы преобразуются в контроллере из аналоговой в цифровую

форму, соответствующие массивы цифровых данных передаются в компью-

тер ПК, обрабатываются в нем под управлением специальной прикладной

компьютерной программы и вычисляются высотные положения контролиру-

емых узлов сооружения, записываемые в архивном файле и отображаемые на

мониторе компьютера.

На начальном этапе калибровочных измерений выполняется следую-

щее:

71

Шаг 1. В сосуде с калибруемым видеодатчиком устанавливается мак-

симальный уровень Hmax жидкости и по (2.4) вычисляются координаты ** , mm УХ центров изображений визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.21) вычисляется радиус *0R вероятнейшей окружности,

вписанной в центры изображений визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. Аналогично (2.13) вычисляется уровень hmax жидкости в сосуде,

дискрет.

Шаг 4. В сосуде с калибруемым видеодатчиком устанавливается мини-

мальный уровень Hmin жидкости и аналогично шагам 1-3 вычисляется уро-

вень hmin жидкости в сосуде, дискрет.

Шаг 5. Вычисляется константа:

)( minmaxminmax

min HHhh

hhС vaz −

−⋅

= , (4.7)

которая записывается в «Опции» специальной прикладной компьютерной

программы, мм×дискрет.

Аналогично вычисляются и записываются в «Опции» специальной

прикладной компьютерной программы константы для «С» других видеодат-

чиков.



Шаг 1. По (2.4) координаты ** , mm УХ центров изображений точечных ис-

точников света в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.21) радиус *0R вероятнейшей окружности, вписанной в

точки с координатами ** , mm УХ , дискрет.

72

Шаг 3. Аналогично (2.13) вычисляется уровень h жидкости в сосуде,

соответствующий высотному положению контролируемого узла сооружения.

При установке в видеодатчике объектива с фокусным расстоянием

f=8мм, модуля видеокамеры с ПЗС-матрицей размером 1/3 дюйма

(МХ=4,8мм, МY=3,6мм) и m=4 круглых визирных целей, выполненных в виде

полупроводниковых светодиодов диаметром d=3мм для минимального

hmin=100мм и максимального hmax=150мм измеряемых уровней жидкости в

сосудах видеогидростатического нивелира вычисляются следующие пара-

метры видеоизмерений:

- по (2.10) диаметры изображений визирных целей в видеокадре, выра-

женные в дискретах, для минимального и максимального измеряемых уров-

ней жидкости с учетом того, что соответствующие световые лучи проходят

двойное расстояние *mind =19дискрет и *

maxd =13дискрет;


оси Y видеокадра для минимального и максимального измеряемых уровней

при компьютерной обработке К=8 видеокадров в каждом видеоизмерении

Nmin=20000дискрет и Nmax=16600дискрет;

- по (2.15) относительная погрешность видеоизмерений для минималь-

ного и максимального измеряемых уровней жидкости ηmin=0,5×10-4 и

ηmax=0,6×10-4;


ответствующих геодезических измерений δmin=0,005мм, mmin=0,01мм,

δmax=0,01мм и mmax=0,02мм.

По схеме рисунка 4.9 создан видеогидростатический нивелир, установ-

ленный в основании Главного Монумента в парке Победы на Поклонной го-

ре в Москве, предназначенный для измерений его наклонов. Он содержит че-

тыре сообщающихся сосуда, заполненных незамерзающей жидкостью (анти-

фриз), на которых установлены видеодатчики видеоуровнемера.

73


видеогидростатического нивелира:


СКП измерений, мм, не более 0,5



для контроля положения микропроходческого щита

относительно проектного направления

Задача состоит в измерении расстояния до микропроходческого щита,

его отклонений в горизонтальной и вертикальной плоскостях и поворотов

вокруг в заданном (проектном) направлении. Она решается с помощью ви-

деонавигационной системы, схема которой представлена на рисунке 4.14

[15,35,39].

ВД Видеодатчик ИТ Исходная точка




Рисунок 4.14 - Схема видеонавигационной системы

микропроходческого щита

74

Схема содержит видеодатчик ВД, установленный над исходной точкой

ИТ, и визирную цель ВЦ0, привязанные к местной координатной системе,

светодиодную мишень с двумя парами визирных целей ВЦ1-ВЦ2 и ВЦ3-ВЦ4,

закрепленных на микропроходческом щите, и рабочее место оператора РМО

с видеопроцессором ВП, компьютером ПК и специальной прикладной ком-

пьютерной программой, записанной в энергонезависимой памяти компьюте-

ра.

Видеодатчик создан на основе теодолита типа 3Т2КП с фокусным рас-

стоянием объектива f =239мм. Вместо окуляра и сетки нитей в фокальной

плоскости объектива теодолита установлена ПЗС-матрица размером 1/3

дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм) в составе модуля видеокамеры типа CCD-4.

Оптическая ось видеодатчика устанавливается в заданном (проектном)

направлении, а координатная ось Х видеодатчика (видеокадра) - в горизон-

тальной плоскости.

Схема светодиодной мишени, представленная на рисунке 4.15, содер-

жит пары визирных целей ВЦ1-ВЦ2 и ВЦ3-ВЦ4 для измерения расстояния от

видеодатчика до микропроходческого щита в двух поддиапазонах.

ВЦ – Визирная цель

Рисунок 4.15 - Схема светодиодной мишени с визирными целями

Кроме того, с помощью визирных целей светодиодной мишени изме-

ряются повороты микропроходческого щита вокруг заданного (проектного)

направления и смещения от этого направления в горизонтальной и верти-

кальной плоскостях.

75

С помощью визирных целей ВЦ1-ВЦ2 измеряется расстояние на ближ-

ней дистанции (в первом поддиапазоне), а с помощью ВЦ3-ВЦ4 – на дальней

дистанции (во втором поддиапазоне).

Положения изображений визирных целей в видеокадре без учета влия-

ния прочих факторов пропорциональны отклонению микропроходческого

щита от заданного направления в горизонтальной и вертикальной плоскостях

и углу поворота вокруг этого направления, что служит основой для видеоиз-

мерений.

Выходной стандартный телевизионный видеосигнал ВС в видеопро-

цессоре преобразуется из аналоговой в цифровую форму, полученный массив

цифровых данных передается в компьютер, обрабатывается в нем под управ-

лением специальной прикладной компьютерной программы и вычисляются

искомые параметры видеоизмерений.

На начальном этапе видеодатчик направляется на визирную цель ВЦ0,

привязанную к местной координатной системе, и затем с помощью горизон-

тального и вертикального лимбов устанавливается в проектное положение.

На этапе калибровочных измерений специальной прикладной компью-

терной программой вычисляются:


*02

*01

*01 ,,Х YXY − центров и коор-

динаты *0Ц

*0 ,Х YЦ общего центра изображений визирных целей в видеокадре,

дискрет.

Шаг 2. По (2.12) расстояние *L между центрами изображений пары ви-

зирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. По (2.16) начальный угол 0ϕ поворота контролируемого объекта

вокруг заданного направления, который записывается в «Опции» специаль-

ной прикладной компьютерной программы в качестве константы, радиан.

Шаг 4. Масштабный коэффициент k в видеокадре, мм/дискрет.

76

Шаг 5. По (2.5) начальные смещения 00 , YX ∆∆ микропроходческого щи-

та от заданного направления, которые также записываются в «Опции» специ-

альной прикладной компьютерной программы в качестве констант, мм.

Шаг 6. По (2.13) начальное расстояние SН от исходной точки ИТ до

микропроходческого щита, которое записывается в «Опции» специальной

прикладной компьютерной программы в качестве константы, мм.




*2

*1

*1 ,,Х YXY − центров и координаты ЦY,ХЦ

общего центра изображений визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.12) расстояние L* между центрами изображений визирных

целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. По (2.16) угол φ поворота контролируемого объекта вокруг за-

данного направления, радиан.

Шаг 4. Масштабный коэффициент k в видеокадре, мм/дискрет.

Шаг 5. По (2.5) текущие (на момент видеоизмерений) смещения YХ ∆∆ ,

микропроходческого щита от заданного направления, мм.

Шаг 6. По (2.13) текущее расстояние S от исходной точки ИТ до кон-

тролируемого объекта, м.

Шаг 7. Искомые смещения микропроходческого щита от заданного

направления, мм:

0

0

YYYX

Y

Х

∆−∆=∆

∆−∆=∆. (4.8)

Шаг 8. Искомый угол Δφ поворота контролируемого объекта вокруг

заданного направления, угл.град.

Шаг 9. Расстояние от микропроходческого щита до видеодатчика, м:

77

НSSS −=∆ . (4.9)

В качестве визирных целей в видеонавигационной системе использу-

ются m=8 круглых полупроводниковых светодиодов диаметром d=10мм,

расположенных на окружности диаметром D=100мм.

В соответствии с приведенными исходными данными для расстояния

S=100м вычисляются следующие параметры видеоизмерений:

- по (2.9) линейный диапазон видеоизмерения в направлении коорди-

натной оси Х видеокадра D=2000мм;

- по (2.10) диаметр изображения визирной цели (светодиода) в видео-

кадре, d*=4дискрет;


оси Х видеокадра при компьютерной обработке К=4 видеокадров в каждом

видеоизмерении N=4300дискрет;

- по (2.27) и (2.28) угловое и линейное разрешения и СКП видеоизме-

рений и соответствующих геодезических измерений δφ=5угл.мин., δ=0,5мм,

mφ=10угл.мин. и m=1мм.

Испытания видеонавигационной системы на заводе в г. Туле в 2004г.

на дистанции 100 м дали следующие результаты:

Диапазон измерений отклонений микропроходческого

щита от проектного направления, мм, не менее ±500

СКП измерений, мм, не более 1


78


для измерения прогибов главных несущих балок перекрытия

зрительного зала Государственного Кремлевского Дворца

Задача решается с помощью видеоизмерительной системы, основанной

на видеостворофиксаторе, схема которой представлена на рисунке 4.16

[30,35,39,45].

ВД Видеодатчик ПК Компьютер


ВС Видеосигнал СД Субдатчик


Рисунок 4.16 - Схема видеоизмерительной

системы на основе видеостворофиксатора

Схема содержит видеодатчик ВД видеостворофиксатора, закрепленный

на контролируемом объекте, и визирные цели ВЦ11-ВЦ14 и ВЦ21-ВЦ24, уста-

новленные на окружностях с центрами, расположенными на концах створа.

Она также содержит рабочее место оператора РМО с видеопроцессором ВП,

компьютером ПК и специальной прикладной компьютерной программой, за-

писанной в энергонезависимой памяти компьютера.

Видеодатчик содержит два субдатчика СД1 и СД2, оптические оси ко-

торых совмещены друг с другом и направлены в противоположные стороны.

79 Координатные оси Х субдатчиков установлены горизонтально, а Y – верти-

кально.

Когда контролируемый объект находится в створе, изображения визир-

ных целей располагаются в центрах видеокадров в выходных стандартных

телевизионных видеосигналах ВС1-ВС2.

При отклонении от створа без учета влияния прочих факторов изобра-

жения визирных целей в видеокадрах пропорционально смещаются, что слу-

жит основой для видеоизмерений.

На основе схемы рисунка 4.16 автором разработана и при его непо-

средственном участии создана видеоизмерительная система для измерения

прогибов восьми главных несущих балок перекрытия зрительного зала Госу-

дарственного Кремлевского Дворца в Москве.

Схема расположения узлов видеоизмерительной системы на одной из

главных несущих балок представлена на рисунке 4.17.

Б Балка несущая ВС Видеосигнал


ВМ Визирная марка ОБ Объектив

Рисунок 4.17- Схема расположения узлов видеоизмерительной

системы на одной из главных несущих балок перекрытия


На концах балки закреплены визирные марки ВМ1, ВМ2, центрами ко-

торых задается створ.

80

В середине балки закреплен видеодатчик ВД, оптические оси объекти-

вов ОБ1 и ОБ2 которого совмещены друг с другом и направлены на визир-

ные марки ВМ1 и ВМ2, установленные вблизи концов балки.

В видеодатчике установлены объективы от теодолита ОТ-02 с фокус-

ным расстоянием f=112мм и модули видеокамер МВ1 и МВ2 с ПЗС-

матрицами размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм).

Визирные марки содержат по m=4 круглых полупроводниковых свето-

диодов диаметром d=5 мм, которые установлены на окружностях диаметром

74мм.

Схема видеоизмерительной системы представлена на рисунке 4.18.

Б Несущая балка ВС Видеосигнал

ВД Видеодатчик КК Кодовый коммутатор

ВМ Визирная марка РМО Рабочее место оператора

Рисунок 4.18 - Схема видеоизмерительной системы для

измерения прогибов главных несущих балок перекрытия


81

Схема содержит видеодатчики ВД1-ВД8 и визирные марки ВМ1.1-ВМ8.2,

находящиеся в полях зрения видеодатчиков.

Выходные стандартные телевизионные видеосигналы видеодатчиков

по коаксиальным кабелям через кодовые коммутаторы КК1-КК2 передаются

на рабочее место оператора РМО, содержащее контроллер типа VS-2001/TV

и компьютер, в энергонезависимой памяти которого записана специальная

прикладная компьютерная программа, под управлением которой выполняют-

ся измерения.

Схема кодового коммутатора КК видеосигналов, разработанная авто-

ром, представлена на рисунке 4.19.

Рисунок 4.19 - Схема кодового коммутатора видеосигналов

Схема содержит микросхему D1 для преобразования сигналов канала

RS-232 в сигналы уровня ТТЛ, кварцевый генератор на микросхеме D2 с ча-

стотой 7,3728МГц, микроконтроллер на микросхеме D3 типа ATmega8-8Pw,

инверторы с открытыми коллекторными выходами на микросхемах D4-D5

типа КР1533КН10 и преобразователь постоянного тока на микросхеме D6

82 типа PSR-7805LF. На выходах инвертеров включены герконовые реле S1-9

типа EDR1D1A0500, с помощью которых один из видеосигналов VS1-VS8 от

восьми видеодатчиков подключаются к общей сигнальной линии VS, по ко-

торой передаются в РМО.

Работа видеоизмерительной системы осуществляется под управлением

специальной прикладной компьютерной программы в следующей последова-

тельности:

- через СОМ-порт компьютера ПК по линии RS-232 передается кодо-

вый адрес одного из видеодатчиков ВД1-ВД8, который дешифрируется в ко-

довых коммутаторах КК1 и КК2, и выходной видеосигнал только одного ви-

деодатчика по коаксиальному кабелю передается в РМО;

- выходные видеосигналы видеодатчиков в контроллере КН преобра-

зуются из аналоговой в цифровую форму, соответствующие массивы цифро-

вых данных передаются в компьютер ПК, обрабатываются в нем специаль-

ной прикладной компьютерной программой и вычисляются искомые пара-

метры измерений - прогибы несущих балок.

Исходное окно компьютерной программы с результатами видеоизме-

рений представлено на рисунке 4.20. Оно содержит ряд виртуальных клавиш,

с помощью которых открываются другие окна и устанавливаются параметры


С помощью виртуальной клавиши «Настройка» открывается окно,

представленное на рисунке 4.21, в котором записываются начальные (про-

ектные) прогибы несущих балок, мм.

Результаты измерений записываются в архивном файле с именем по

дате. Доступ к архивному файлу осуществляется с помощью виртуальной

клавиши «Архив».

Видеосигналы в видеопроцессоре преобразуются из аналоговой в циф-

ровую форму, полученные массивы цифровых данных передаются в компью-

тер, обрабатываются в нем под управлением специальной прикладной ком-

пьютерной программы и вычисляются искомые параметры видеоизмерений.

83

Рисунок 4.20 - Исходное окно компьютерной программы с

результатами видеоизмерений на одной из главных несущих балок

Рисунок 4.21 - Окно «Настройка» компьютерной программы

84

На начальном этапе (на момент ввода видеоизмерительной системы в

эксплуатацию) специальной прикладной компьютерной программой вычис-

ляются:


*14

*11

*11 ,,Х YXY − и *

24*24

*21

*21 ,, YXYX − центров и

координаты *02

*02

*01

*01 ,,Х YXиY общих центров изображений визирных целей в

видеокадрах, дискрет.

Шаг 2. По (2.17) масштабные коэффициенты 1Y1 , kk Х и 2Y2 ,kk Х в направ-

лениях координатных осей видеокадров, которые записываются в «Опции»

специальной прикладной компьютерной программы в качестве констант,

мм/дискрет.

Шаг 3. Начальные смещения изображений визирных целей в направле-

ниях координатных осей видеокадров, мм:

2)(

2)(

*02

*011

0

*02

*011

0X

YY

ХX

YY

Х

+=∆

−=∆

δ

δ

, (4.10)

которые записываются в «Опции» специальной прикладной компьютерной

программы в качестве констант.



Шаг 1. По (2.4) текущие (на момент видеоизмерений) координаты

2211 ,,Х YХиY общих центров изображений визирных целей в видеокадрах,

мм.

Шаг 2. Искомые прогибы несущих балок в направлениях координатных

осей видеокадров, мм:

85

YY

Х

YY

ХX

012

012

X

2

2

∆−+

=∆

∆−−

=∆. (4.11)

В соответствии с приведенными данными вычисляются следующие па-

раметры видеоизмерений:

- по (2.9) линейный диапазон видеоизмерения в направлениях коорди-

натных осей видеокадра DX=1600мм и DY=1200мм;

- по (2.10) диаметр изображения визирной цели в видеокадре d*=2,4мм;


деляемых в направлениях координатных осей видеокадра при компьютерной

обработке К=4 видеокадра в каждом видеоизмерении NЦХ=7500дискрет и

NЦY=5600дискрет;



Видеоизмерительная система успешно эксплуатируется с 2010г.

На рисунке 4.22 представлены графики прогибов восьми главных не-

сущих балок, полученные по результатам видеоизмерений, записанных в ар-

хивном файле 14 июня 2011г.

На графиках наблюдаются резкие изменения прогибов главных несу-

щих балок за время от 14:20час. до 16:20час. В течение этого времени рабо-

тал банкетный зал, расположенный над зрительным залом.

Как следует из рисунка, после закрытия банкетного зала прогибы не-

сущих балок приняли их первоначальные значения.

86

Рисунок 4.22 – Графики прогибов восьми главных несущих балок

перекрытия зрительного зала Государственного Кремлевского Дворца

На основе контрольных измерений, выполненных на специально стен-

де, определены следующие основные параметры видеоизмерительной систе-

мы:


СКП измерений, мм, не более 0,2

Частота видеоизмерений, Гц 0,5


для передачи заданного направления (азимута) с неподвижного

основания на подвижный объект в одном горизонте

Задача передачи заданного направления (азимута) с неподвижного ос-

нования (берег) на подвижный объект (корабль) в одном горизонте решается

87 с помощью видеоизмерительной системы на основе видеоавтоколлиматора,

схема которой представлена на рисунке 4.23 [24,35,39,42].

АЗ Автоколлимационное зеркало ПК Компьютер

ВД Видеодатчик РМО Рабочее место оператора

ВП Видеопроцессор СП Светоделительная призма

ВС Видеосигнал ТМ Тест-марка

ОС Осветитель светодиодный

Рисунок 4.23 - Схема видеоизмерительной системы на основе

видеоавтоколлиматора для передачи заданного направления

(азимута) в одном горизонте

Схема содержит призму типа БР-180, закрепленную на подвижном

объекте, и видеодатчик ВД видеоавтоколлиматора вместе с автоколлимаци-

онным зеркалом АЗ установленный на неподвижном горизонтальном осно-

вании. При этом координатная ось Х видеодатчика (видеокадра) лежит в го-

ризонтальной плоскости.

Нормалью А1 к продольному ребру призмы типа БР-180 задается одно,

а нормалью А2 к автоколлимационному зеркалу АЗ – другое направление

(азимут).

Схема также содержит рабочее место оператора РМО с видеопроцессо-

ром ВП, компьютером ПК и специальной прикладной компьютерной про-

граммой, записанной в энергонезависимой памяти компьютера.

88

Стандартный телевизионный видеосигнал ВС, содержащий два изоб-

ражения тест-марки в видеокадре – подвижное и неподвижное, - отраженные

соответственно от призмы БР-180 и автоколлимационного зеркала АЗ, по ко-

аксиальному кабелю передается на РМО, преобразуется в видеопроцессоре

ВП из аналоговой в цифровую форму, соответствующие массивы цифровых

данных передаются в компьютер, обрабатываются в нем специальной при-

кладной компьютерной программой и вычисляется искомый угол φ между

упомянутыми нормалями.

При этом положение подвижного изображения тест-марки в видеокад-

ре относительно неподвижного без учета влияния прочих факторов пропор-

ционально искомому углу между указанными направлениями, что служит

основой для видеоизмерений.

На начальном этапе на основе астрономо-геодезического метода опре-

деляется азимут А2 нормали к автоколлимационному зеркалу АЗ, а затем

специальной прикладной компьютерной программой вычисляются:

Шаг 1. По (2.4) начальные координаты *01X и *

02X центров изображений

тест-марки в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.10) диаметр *d изображения тест-марки в видеокадре,

дискрет.

Шаг 3. По (2.6) число дискретов ХЦN (центров изображений тест-

марки), выделяемых в направлении координатной оси Х видеокадра.

Шаг 4. По (2.8) угловой диапазон Хϕ∆ видеоизмерения в направлении

координатной оси Х видеокадра, радиан.

Шаг 5. Угловой масштабный коэффициент, радиан/дискрет:

Ц2 X

Х

Nk ϕϕ

∆= , (4.12)

89 который в качестве константы записывается в «Опции» специальной при-

кладной компьютерной программы.

Шаг 6. Начальный угол («место нуля» прибора) между заданными

направлениями, угл.сек.:

)(648000 *01

*020 ХXk −= ϕπ

ϕ . (4.13)



Шаг 1. По (2.4) координаты *1X и *

2X центров изображений тест-марки

в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. Искомый угол между заданными направлениями, угл.сек.:

)(648000 *1

*2 ХXk −= ϕπ

ϕ . (4.14)

Шаг 3. Искомый (передаваемый на подвижный объект) азимут нормали

к продольному ребру призмы БР-180, угл.сек.:

)( 021 ϕϕ −+= АА . (4.15)

При установке в видеодатчике объектива с фокусным расстоянием f =

300мм, модуля видеокамеры типа WAT-902HB2S с ПЗС-матрицей размером

1/2 дюйма (МХ=6,4мм, МY=4,8мм) и тест-марки с круглым окном диаметром

d=0,3мм вычисляются следующие параметры видеоизмерений:

- по (2.10) диаметр изображения тест-марки в видеокадре d*=36дискрет;

- по (2.6) число дискретов (центров изображений тест-марки), выделя-

емых в направлении координатной оси Х видеокадра, при компьютерной об-

работке m=1 изображения тест-марки в К=8 видеокадрах NХЦ=18400дискрет;

90

- по (2.8) угловой диапазон видеоизмерений в направлении координат-

ной оси Х видеокадра:

≈⋅

−⋅≈

−=∆

30014.3)3,04,6(1080010800

fdMarctg X

Х πϕ 70угл.мин.; (4.16)

- по (2.27) и (2.28) угловое разрешение и СКП видеоизмерений и соот-

ветствующих геодезических измерений δφ=0,2угл.сек. и mφ=0,4угл.сек.

По приведенной схеме созданы комплекты аппаратуры для передачи

азимута с берега на корабль, находящийся на плаву.

На основе контрольных измерений, выполненных на специально со-

зданном стенде, определены следующие основные параметры видеоизмери-

тельной системы:

Диапазон измерений, угл.мин., не менее ±20

СКП измерений, угл.сек., не более 0,2



для передачи заданного направления (азимута)

с одного горизонта на другой

Передача заданного направления (азимута) с одного горизонта на дру-

гой осуществляется с помощью видеоизмерительной системы - вертикально-

го видеоканала, - схема которой представлена на рисунке 4.24 [3,35,39].

91

АЗ Автоколлимационное зеркало МКО Матрица круглых окон

БР Призма 1800 ОБ Объектив



ВС Видеосигнал ОС Осветитель

МВ Модуль видеокамеры

Рисунок 4.24 - Схема видеоизмерительной системы для передачи

заданного направления (азимута) с одного горизонта на другой

Схема содержит установленную на верхнем горизонте матрицу круг-

лых окон МКО, освещенную светодиодным осветителем ОС и жестко свя-

занную с МКО призму типа БР-180, нормалью к которой задается направле-

ние АВ верхнего горизонта.

Схема также содержит установленный на нижнем горизонте видеодат-

чик ВД и жестко связанное с ним автоколлимационное зеркало АЗ, нормалью

АН к которому задается направление нижнего горизонта. Оптическая ось ви-

деодатчика установлена вертикально, а МКО - горизонтально.

Стандартный телевизионный видеосигнал ВС от видеодатчика ВД пе-

редается в видеопроцессор ВП, который вместе с компьютером ПК установ-

лен на рабочем месте оператора РМО.

92

При изменении горизонтального угла между заданными направления-

ми без учета влияния прочих факторов изображения окон МКО в видеокадре

поворачиваются на пропорциональный угол, что служит основой для видео-

измерений.

Матрица круглых окон, выполненная фотолитографическим способом

на стеклянной подложке, содержит m=180 круглых окон диаметром d=1мм. В

видеодатчике установлены объектив от теодолита ОТ-02 с фокусным рассто-

янием f =112мм и модуль видеокамеры типа SK-1004PH6C/SO с ПЗС матри-

цей размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм). Расстояние между видео-

датчиком и матрицей круглых окон составляет h=1,6м.

Видеосигнал ВС от видеодатчика ВД по коаксиальному кабелю пере-

дается в РМО, преобразуется в видеопроцессоре ВП из аналоговой в цифро-

вую форму, полученные массивы цифровых данных передаются в компью-

тер, обрабатываются в нем специальной прикладной компьютерной про-

граммой и вычисляется искомый горизонтальный угол φ между узлами (упо-

мянутыми нормалями), установленными на разных горизонтах.

На начальном этапе астрономо-геодезическими методами определяется

азимут АВ нормали к призме БР-180, после чего специальной прикладной

компьютерной программой вычисляются:


*0 Y, mmХ центров и координаты

*0

*0 Y,Х общего центра изображений окон МКО в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. Координаты ** Y, mmХ центров изображений окон МКО в видео-

кадре, приведенные к общему центру, выраженные в дискретах, которые за-

писываются в «Опции» компьютерной программы в качестве констант.


числяются:

Шаг 1. По (2.4) координаты ** Y, mmХ центров и координаты *0

*0 Y, ϕϕХ об-

щего центра изображений окон МКО в видеокадре, дискрет.

93

Шаг 2. Координаты ** Y, ϕϕ mmХ центров изображений окон МКО в видео-

кадре, приведенные к общему центру, дискрет.

Шаг 3. По (2.20) угол φ в проекции на горизонтальную плоскость меж-

ду узлами, установленными на разных горизонтах.

Шаг 4. Передаваемое направление (азимут) АН=АВ+φ.



- по (2.10) диаметр изображения окна МКО в видеокадре d*=11дискрет;

- по (2.6) число дискретов (центров изображений окон МКО), выделяе-

мых в направлении координатной оси Y видеокадра, при компьютерной об-

работке m=180 изображений окон МКО в К=4 видеокадрах

NYЦ=45000дискрет;

- по (2.8) угловой диапазон видеоизмерений ΔφY=110угл.мин.;


ветствующих геодезических измерений δφ=0,15угл.сек. и mφ=0,3угл.сек.

На основе приведенной схемы созданы комплекты аппаратуры для пе-

редачи азимута с берега во внутрь корабля.



Диапазон угловых измерений, угл.град., не менее ±5

СКП угловых измерений, угл.сек., не более 1,7

Частота измерений, Гц 0,1

Вертикальный видеоканал может быть реализован также на основе

следующих схем, разработанных автором.

Схема с двумя идентичными узлами, установленными на разных го-

ризонтах [7], представленная на рисунке 4.25.

94

ВД Видеодатчик ЗТ Зрительная труба

ВК Видеокадр МКО Матрица круглых окон


Рисунок 4.25 - Схема вертикального видеоканала с двумя

идентичными узлами, установленными на разных горизонтах

Схема содержит зрительные трубы ЗТ1-ЗТ2, с которыми жестко связа-

ны видеодатчики ВД1-ВД2. Вокруг объективов видеодатчиков установлены

идентичные матрицы круглых окон МКО1-МКО2. Оси вращения зрительных

труб и визирные оси видеодатчиков совмещены друг с другом и установлены

вертикально. В поле зрения видеодатчика ВД1 находится матрица круглых

окон МКО2, а в поле зрения видеодатчика ВД2 – МКО1.

Выходными сигналами видеодатчиков служат стандартные телевизи-

онные видеосигналы ВС1, ВС2, содержащие изображения окон МКО1, МКО2,

расположенные на окружностях в видеокадрах ВК1, ВК2. Оптическими ося-

ми зрительных труб задаются направления А1, А2 верхнего и нижнего гори-

зонтов.

При изменении горизонтального угла между указанными направления-

ми без учета влияния прочих факторов изображения окон МКО в видеокад-

рах поворачиваются вокруг их общих центров на определенный угол, что


95

Достоинство схемы состоит в идентичности узлов, установленных на

разных горизонтах, а также в том, что искомый горизонтальный угол между

заданными направлениями вычисляется как среднее значение углов, вычис-

ленных на основе компьютерной обработки изображений МКО в двух видео-

кадрах, что увеличивает точность видеоизмерений.

Схема с двумя идентичными узлами и МКО, установленной на про-

межуточном горизонте [8], представленная на рисунке 4.26.




Рисунок 4.26 - Схема вертикального видеоканала с двумя одинаковыми

узлами и МКО, установленной на промежуточном горизонте

Схема содержит два идентичных узла, установленных на разных гори-

зонтах, и от предыдущей схемы отличается тем, что содержит одну матрицу

круглых окон, установленную на промежуточном горизонте.

Основным достоинством схемы при тех же параметрах узлов, что и в

предыдущей схеме, является возможность увеличения в 2 раза расстояния

между горизонтами.

96

Схема на основе видеоавтоколлиматора, представленная на рисунке

4.27 [18].

ВД Видеодатчик МКО Матрица круглых окон

ВК Видеокадр ОБ Объектив

ВС Видеосигнал ОС Осветитель

ЗТ Зрительная труба СП Светоделительная призма-куб


Рисунок 4.27 - Схема вертикального видеоканала

на основе видеоавтоколлиматора

Схема содержит установленные на верхнем горизонте зрительную тру-

бу ЗТ, с которой жестко связан видеодатчик ВД, выполненный по схеме ви-

деоавтоколлиматора и содержит светоделительную призму-куб СП, на смеж-

ных гранях которой в фокальных плоскостях объектива ОБ закреплены ПЗС-

матрица модульной видеокамеры МВ и матрица круглых окон МКО в каче-

стве тест-марки.

МКО освещается светодиодным осветителем ОС. Ось вращения зри-

тельной трубы ЗТ и оптическая ось видеодатчика совмещены друг с другом и

установлены вертикально. При этом оптической осью зрительной трубы ЗТ

задается направление А1 верхнего горизонта.

97

На нижнем горизонте в поле зрения видеодатчика ВД установлена

призма типа БР-180, нормалью к боковой грани которой задается направле-

ние А2 нижнего горизонта. Продольное ребро призмы установлено горизон-

тально.

В выходном видеосигнале ВС видеодатчика содержатся изображения

окон МКО, расположенные на окружности в видеокадре ВК.

При изменении горизонтального угла между узлами, установленными

на разных горизонтах, без учета влияния прочих факторов изображения окон

МКО в видеокадре поворачиваются на определенный угол, что служит осно-


Особенность схемы состоит в том, что при изменении горизонтального

угла между узлами, установленными на разных горизонтах, изображения

окон МКО в видеокадре поворачиваются на двойной угол, что вдвое повы-

шает точность видеоизмерений.

Схема на основе двух видеоавтоколлиматоров, представленная на

рисунке 4.28 [19].

В отличие от предыдущей схемы видеодатчик ВД, установленный на

верхнем горизонте, выполнен по схеме двух видеоавтоколлиматоров, опти-

чески связанных между собой с помощью призмы типа АР-90 с зеркальными

боковыми гранями и общим объективом ОБ.

В поле зрения объектива находится призма типа БР-180, установленная

на нижнем горизонте.

С видеодатчиком ВД жестко связано автоколлимационное зеркало АЗ,

нормалью к которой задается направление верхнего горизонта АВ. Направ-

ление нижнего горизонта АН задается нормалью к боковой грани призмы БР-

180.

98

ВД Видеодатчик МКО Матрица круглых окон

ВК Видеокадр ОБ Объектив

ВС Видеосигнал СО Осветитель

МВ Модуль видеокамеры СП Светоделительная призма-куб

Рисунок 4.28 - Схема вертикального

видеоканала на основе двух видеоавтоколлиматоров

Особенность схемы состоит в том, что при отказе одного из плеч ви-

деодатчика (одного из видеоавтоколлиматоров) работоспособность верти-

кального видеоканала будет сохранена, что повышает надежность его рабо-

ты.

Авторефлексная схема [47], представленная на рисунке 4.29.

Схема содержит установленные на верхнем горизонте и жестко связан-

ные друг с другом зрительную трубу ЗТ и видеодатчик ВД, вокруг объектива

которого закреплена матрица круглых окон МКО.

На нижнем горизонте в поле зрения видеодатчика установлена призма

типа БР-180.

Направление верхнего горизонта АВ задается оптической осью зри-

тельной труба ЗТ, а направление нижнего горизонта АН – нормалью к боко-

вой грани призмы типа БР-180.

99




Рисунок 4.29 – Авторефлексная схема вертикального видеоканала

В результате в видеокадре ВК выходного стандартного телевизионного

видеосигнала ВС, формируемого в видеодатчике ВД, содержатся изображе-

ния окон МКО, расположенные на окружности.

При изменении горизонтального угла между заданными направления-

ми изображения окон МКО в видеокадре без учета влияния прочих факторов,

как и в предыдущих двух схемах, поворачиваются на удвоенный угол, что


Характерной особенностью схемы является ее простота при сохране-

нии свойства поворота изображений окон МКО в видеокадре на удвоенный

угол.

100


для мониторинга деформаций несущих конструкций

Лефортовского тоннеля глубокого заложения в Москве

Задача состоит в выполнении систематических измерений деформаци-

онного состояния несущих конструкций (тюбингов) тоннельного сооружения

и выявления возможных остаточных деформаций. Она решается с помощью

мобильной видеоизмерительной системы, схема которой представлена на ри-

сунке 4.30 [29,35,39].

ВД Видеодатчик М Монитор


ВС Видеосигнал ПР Прожектор


Рисунок 4.30 - Схема мобильной видеоизмерительной системы для

мониторинга деформаций несущих конструкций (тюбингов)

Лефортовского тоннеля глубокого заложения в Москве

Схема содержит визирные цели ВЦ1-ВЦ6, закрепленные на несущих

конструкциях (тюбингах) в заданных сечениях тоннеля, видеодатчик ВД и

прожекторы П1, П2, установленные на крыше, и рабочее место оператора

РМО с видеопроцессором ВП, компьютером ПК и специальной прикладной

101 компьютерной программой, записанной в энергонезависимой памяти компь-

ютера, установленные в салоне автомобиля.

Видеоизмерения выполняются при кратковременных (около 1мин.)

остановках автомобиля перед заданными сечениями тоннеля.

При остановках производится видеосъемка визирных целей ВЦ1-ВЦ6 и

компьютерная обработка их изображений в видеокадре выходного стандарт-

ного телевизионного видеосигнала ВС с записью результатов в архивном

файле в памяти компьютера.

При выполнении видеоизмерений специальной прикладной компью-


Шаг 1. По (2.4) координаты *m

*m Y,Х центров визирных целей в видео-

кадре, дискрет.


*0 Y,Х центра и радиус *R вероятнейшей

окружности, вписанной в точки с координатами *m

*m Y,Х , дискрет.

Шаг 3. Масштабный коэффициент */ RRk = в видеокадре, мм/дискрет.

Шаг 4. По (2.24) радиус вероятнейшей окружности и смещения от нее

визирных целей, характеризующие деформационное состояние несущих кон-

струкций сооружения, мм.

Внешний вид узлов видеоизмерительной системы, установленных на

крыше автомобиля «Газель», представлен на рисунке 4.31.

Видеодатчик видеоизмерительной системы содержит объектив с фо-

кусным расстоянием f=24мм и модуль видеокамеры с ПЗС-матрицей разме-

ром 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм).

Визирные цели, закрепленные в сечениях тоннеля, выполнены в виде

круглых светоотражающих пленок диаметром d=150мм, наклеенных на ме-

таллическую основу.

Видеосъемка производится на расстоянии S=30± 1м перед заданным

сечением тоннеля.

102

Рисунок 4.31 – Узлы видеоизмерительной системы,

закрепленные на крыше автомобиля «Газель»

Исходное окно компьютерной программы видеоизмерений представле-

но на рисунке 4.32.

Рисунок 4.32 – Исходное окно компьютерной программы с результатами

видеоизмерений в Лефортовском тоннеле глубокого заложения в Москве

103

В соответствии с приведенными исходными данными вычисляются:

- по (2.9) линейный диапазон видеоизмерения в направлении коорди-





деляемых в направлении координатной оси Х видеокадра, при компьютерной

обработке К=4 видеокадров в каждом видеоизмерении NХВЦ=9400дискрет;


ответствующих геодезических измерений Δ=0,6мм и m=1,2мм.

На основе контрольных измерений, выполненных на специально со-

зданном стенде, определены следующие параметры видеоизмерительной си-

стемы:

- диапазон измерений, мм, не менее ±100

- СКП измерений, мм, не более 1

- частота видеоизмерений, Гц 1


для измерения весовых деформаций рефлектора

большой параболической антенны ТНА-1500

При изменении угла места большой параболической антенны ТНА-

1500, внешний вид которой представлен на рисунке 4.33, ее рефлектор диа-

метром 64м испытывает значительные деформации, влияющие на параметрах

антенны, что требует соответствующего контроля.

104

Рисунок 4.33 - Большая параболическая антенна ТНА-1500

Особенность решаемой задачи состоит в отсутствии твердого основа-

ния, относительно которого можно было бы выполнять видеоизмерения.

Задача решается с помощью видеоизмерительной системы, схема кото-

рой, представленная на рисунке 4.34 [6,35,39], содержит видеодатчики ВД1-

ВД4, закрепленные на прямоугольной призме П, установленной на аппара-

турной кабине АК антенны. Координатные оси Х видеодатчиков находятся в

одной плоскости, неизменно от угла наклона рефлектора (угла места) антен-

ны. Визирные марки ВМ1-ВМ4, закрепленные на краях рефлектора антенны,

находятся в полях зрения видеодатчиков.


ром ВП и компьютером ПК.

105

АК Аппаратурная кабина ВС Видеосигнал

ВД Видеодатчик П Призма



Рисунок 4.34 - Схема видеоизмерительной системы для измерения весовых

деформаций рефлектора большой параболической антенны ТНА-1500

Влияние деформаций аппаратурной кабины на результаты видеоизме-

рений исключается, благодаря вычислению смещений визирных целей отно-

сительно вероятнейшей плоскости, вписанной в их центры.

В качестве видеопроцессора служит упомянутый ранее контроллер ти-

па VS-2001/TV. В видеодатчиках установлены объективы типа «МС Рубинар

8/500» с фокусным расстоянием f=500мм и модули видеокамер типа SK1004

Sony с ПЗС-матрицами размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм).

В качестве визирных целей в визирных марках установлены m=4 круг-

лых полупроводниковых светодиода диаметром d=5мм, расположенных на

окружности диаметром 74мм.

Видеосигналы ВС1-ВС4 в видеопроцессоре преобразуются из аналого-

вой в цифровую форму, полученные массивы цифровых данных по каналу

прямого доступа к памяти передаются в компьютер, обрабатываются в нем и

вычисляются искомые параметры видеоизмерений.

106

Результаты видеоизмерений записываются в архивном файле в энерго-

независимой памяти и отображаются на мониторе компьютера.

Видеоизмерения выполняются в безветренную погоду, в предрассвет-

ное время, при относительно стабильной температуре воздуха.

Видеоизмерения выполняются при пошаговом изменении угла места

антенны в диапазоне от 00 до 900 с шагом около 60.

На каждом шаге изменения угла места антенны компьютерной про-

граммой вычисляются:

Шаг 1. По (2.4) координаты *Цm

*Цm Y,Х центров и координаты *

0*0 Y,Х об-

щего центра изображений визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 2. По (2.21) радиус R* вероятнейшей окружности, на которой рас-

полагаются изображения визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. Масштабный коэффициент */ RRk = в видеокадре, мм/дискрет.

Шаг 4. По (2.25) искомые смещения центров визирных целей ВЦ1-ВЦ4

от вероятнейшей плоскости, принимая Z=32000мм, мм:

*mY mYk ∆⋅=∆ . (4.17)

В соответствии с заданными исходными данными вычисляются следу-

ющие параметры видеоизмерений:



- по (2.10) диаметры изображений визирных целей в видеокадре




обработке m=4 в К=4 видеокадрах NХВЦ=15000дискрет;



107


видеоизмерений:

- диапазон измерений, мм, не менее ±150

- СКП измерений, мм, не более 0,1

- частота измерений, Гц 0,2


для контроля геометрии внутренней вертикальной

цилиндрической поверхности

Задача решается с помощью видеоконтрольного устройства (ВКУ), вы-

полненного по схеме, представленной на рисунке 4.35 [35,39,41,44].

ВД Видеодатчик КП Контролируемая поверхность

ВКУ Видеоконтрольное устройство ПК Компьютер


ВС Видеосигнал ТС Трос


Рисунок 4.35 - Схема видеоконтрольного устройства

108

На схеме изображены видеодатчик ВД1, визирные цели ВЦ1 и ВЦ2 и

лазерный круговой источник света КИС, установленные на общем корпусе,

перемещаемом с помощью троса ТС внутри контролируемой поверхности

КП.

В поле зрения видеодатчика ВД1 находится часть контролируемой по-

верхности, освещенная узким пучком света КИС. При этом контуры наблю-

даемого в видеокадре изображения повторяют контуры контролируемой по-

верхности, что служит основой для видеоизмерений.

Над контролируемой поверхностью установлен неподвижный видео-

датчик ВД2, в поле зрения которого находятся визирные цели ВЦ1-ВЦ2, так-

же закрепленные на том же корпусе.




Так как измерения параметров точек контролируемой поверхности

(высоты h, угла φ и радиуса R) должны выполняться относительно ее про-

дольной оси, то необходимо ее зафиксировать.

Кроме того, при перемещении ВКУ внутри контролируемой поверхно-

сти оно смещается от указанной оси и поворачивается вокруг нее, что также

должно учитываться.

Фиксация продольной оси контролируемой поверхности осуществляет-

ся выполнением верхнего и нижнего центрирований, а учет смещений и по-

воротов ВКУ внутри контролируемой поверхности - с помощью видеодатчи-

ка ВД2 и визирных целей ВЦ1-ВЦ2.

Видеоизмерения выполняются на основе компьютерной обработки вы-

ходных стандартных телевизионных видеосигналов ВС1, ВС2 в следующей

последовательности.

Верхнее центрирование.

109

ВКУ устанавливается в верхнем положении, в котором в видеокадре

видеодатчика ВД1 наблюдаются верхние сегменты СВ1-СВ4 (не показанные

на рисунке), установленные на концах взаимно перпендикулярных диаметров

окружности, центр которой лежит на осевой линии контролируемой поверх-

ности, и которые освещены узким круговым светом КИС.

Специальной прикладной компьютерной программой вычисляются:


*4

*ВС1

*ВС1 ,Y, ВCВC YXХ − центров изображений

сегментов СВ1-СВ4 в видеокадре видеосигнала от видеодатчика ВД1, дискрет.

Шаг 2. По (2.17) масштабные коэффициенты 1Y1Х k,k в направлениях

координатных осей видеокадра в видеосигнале от видеодатчика ВД1,

мм/дискрет.

Шаг 3. По (2.21) координаты *1В

*1В Y,Х центра вероятнейшей окружности,

вписанной в центры изображений сегментов СВ1-СВ4 в видеокадре с коорди-

натами *4

*4

*ВС1

*ВС1 ,Y, ВCВC YXХ − , дискрет. координатных осей видеокадра в видео-

сигнале от видеодатчика ВД1, мм/дискрет.

Шаг 4. По (2.4) с учетом масштабных коэффициентов 1Y1Х k,k координа-

ты 1В1В Y,Х верхней точки осевой линии в видеокадре в видеосигнале от ви-

деодатчика ВД1, мм.

Шаг 5. По (2.16) угол 1СВϕ первого сегмента СВ1 в видеокадре в видео-

сигнале видеодатчика ВД1, радиан.

Шаг 6. Начальный угол поворота координатной системы видеодатчика

ВД1 (видеокадра) в координатной системе контролируемой поверхности, ра-

диан:

110 CВϕϕϕ −= , (4.18)

где φ1 – угол первого сегмента СВ1 в координатной системе контролируемой

поверхности, записанный в «Опции» компьютерной программы.

110


*2

*ВЦ1

*1 ,Y, ВЦВЦВЦ YХиX

центров изображений

визирных целей ВЦ1-ВЦ2 в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД2, дис-

крет.

Шаг 8. По (2.12) расстояние *L между центрами изображений визирных

целей в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД2, дискрет.

Шаг 9. По (2.13) высота hВ ВКУ в верхнем положении, мм.

Шаг 10. Масштабный коэффициент Вk2 в видеокадре в видеосигнала

видеодатчика ВД2 в верхнем положении ВКУ, мм/дискрет.

Шаг 11. Координаты верхней точки осевой линии в видеокадре видео-

сигнала видеодатчика ВД2, мм:

2

2*

ВЦ2*

ВЦ122

*2

*1

22

YYY

ХХX

ВВ

ВЦВЦВВ

+=

+=

δ

δ. (4.19)

Шаг 12. По (2.16) верхний угол Вϕ поворота видеокадра в видеосигнале

видеодатчика ВД2, радиан.

Значения k1Х, k1Y, X1B, Y1B, ϕ0 и hB, ϕВ, ВВ YX 22 , в качестве констант

записываются в «Опции» специальной прикладной компьютерной програм-

мы.

Нижнее центрирование.

ВКУ устанавливается в нижнем фиксированном положении, в котором

в видеокадре видеодатчика ВД1 наблюдаются нижние сегменты СН1-СН4, не

показанные на рисунке. Они также расположенные на концах взаимно пер-

пендикулярных диаметров окружности, центр которой лежит на осевой ли-

нии контролируемой поверхности.

Затем специальной прикладной компьютерной программой вычисля-

ются:

111


*4

*НС1

*НС1 ,Y, НCНC YXХ − центров изображений

сегментов СН1-СН4, дискрет.

Шаг 2. По (2.21) координаты *1Н

*1Н Y,Х центра вероятнейшей окружности,

вписанной в точки с координатами *4

*4

*НС1

*НС1 ,Y, НCНC YXХ − , дискрет.

Шаг 3. По (2.4) с учетом масштабных коэффициентов 1Y1Х k,k координа-

ты 1Н1Н Y,Х нижней точки осевой линии в видеокадре видеосигнала видеодат-

чика ВД1, мм.


*1 , ВЦВЦ YХ и *

2*

2 , ВЦВЦ YХ центров изображений

визирных целей в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД2, дискрет.


целей в видеокадре в видеосигнале видеодатчика ВД2, дискрет.

Шаг 6. По (2.13) высота hН ВКУ в нижнем его положении, мм.

Шаг 7. Масштабный коэффициент Нk2 в видеокадре видеосигнала ви-

деодатчика ВД2 в нижнем положении ВКУ, мм/дискрет.

Шаг 8. Координаты НН YХ 22 , нижней точки осевой линии в видеокадре

видеосигнала видеодатчика ВД2, мм.

Шаг 9. По (2.16) угол Нϕ изображений визирных целей в видеокадре в

видеосигнала видеодатчика ВД2 в нижем положении ВКУ, радиан.

Шаг 10. Разность между нижним и верхним углами поворота видеокад-

ра в видеосигнале видеодатчика ВД2, радиан:

ВНН ϕϕα −= . (4.20)

Значения X1Н, Y1Н и hН, НН YX 22 , в качестве констант записываются в

«Опции» специальной прикладной компьютерной программы.

Рабочие измерения.

Рабочие измерения выполняются при перемещении ВКУ внутри кон-

тролируемой поверхности с шагом 50мм.

112

На каждом шаге компьютерной программой вычисляются:

Шаг 1. По (2.4) координаты *ВЦ1

*1 Y,ВЦX и *

ВЦ2*

2 Y,ВЦX

центров изображений

визирных целей ВЦ1, ВЦ2 в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД2,

дискрет.


целей в видеокадре в видеосигнале видеодатчика ВД2, дискрет.

Шаг 3. По аналогии с (2.13) текущая (на момент выполнения измере-

ний) высота h ВКУ, мм.

Шаг 4. Текущий масштабный коэффициент 2k в видеокадре видеосиг-

нала видеодатчика ВД2, мм/дискрет.

Шаг 5. Текущие координаты Х2,Y2 точки осевой линии в видеокадре

видеосигнала видеодатчика ВД2 в соответствующем сечении контролируе-

мой поверхности, мм.

Шаг 6. По (2.16) текущий угол φ видеокадра в видеосигнале видеодат-

чика ВД2, радиан.

Шаг 7. Разность между текущим и верхним углами поворота видеокад-

ра в видеосигнале от видеодатчика ВД2, радиан:

Вϕϕα −= . (4.21)

Шаг 8. Текущие координаты точки осевой линии в видеокадре видео-

сигнала видеодатчика ВД2 решением уравнения линии, соединяющей верх-

нюю с координатами 1B1B Y,, ХhB и нижнюю с координатами 1Н1Н Y,, ХhН точки

продольной осевой линии контролируемой поверхности, мм:

( )

( )НВН

ННОЛ

НВН

ННОЛ

YYhh

hhYY

ХХhhhХХ

22В

22

22В

22h

−−−

+=

−−−

+=

. (4.22)

113

Шаг 9. Текущие смещения ВКУ от осевой линии в направлениях коор-

динатных осей видеокадра видеосигнала видеодатчика ВД2, следовательно, и

видеодатчика ВД1, мм:

22ОО2

222

YYY −=∆

−=∆ ХХХ ОЛ . (4.23)

Шаг 10. Координаты Х1ОЛ,Y1ОЛ точки осевой линии в видеокадре ви-

деосигнала видеодатчика ВД1 решением уравнения линии, соединяющей

верхнюю с координатами 1B1B Y,, ХhB и нижнюю с координатами 1Н1Н Y,, ХhН

точки осевой линии контролируемой поверхности, мм.

Шаг 11. Текущие координаты точки продольной осевой линии контро-

лируемой поверхности в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД1 с уче-

том текущих смещений и угла поворота видеокадра в видеосигнале видео-

датчика ВД2, мм:

ϕϕ

ϕϕ

sincos

sincos

221JK1

2211

YYYYYXХX ОЛ

∆−∆+=

∆+∆+=. (4.24)

Шаг 12. Координаты центров фрагментов кольцевого изображения

контролируемой поверхности, выделенных с шагом 15угл.мин., мм:

∑

∑

=

=

n

1

*1

1

*1m

iY

m

n

iХ

Yn

kY

Xn

kX

, (4.25)

где координаты ** , ii YХ точек поверхности, удовлетворяющие неравенства:

114

005,0005,0

)()( max2

1*

12

1*

1min

+≤≤−

≤−+−≤

mim

iYiХ RYYkХXkRϕϕϕ

, (4.26)

где: Rmin, Rmax - минимальный и максимальный радиусы окружностей, между

которыми находятся точки изображений фрагментов, мм;

mϕ - углы радиусов, соединяющих центры фрагментов изображения контро-

лируемой поверхности, радиан:

αϕπϕ ++= 0m 720m ; (4.27)

где iϕ - углы точек изображений фрагментов изображения контролируемой

поверхности, вычисленные по (2.18).

Шаг 15. Искомые радиусы точек контролируемой поверхности в задан-

ном сечении (на заданной высоте ВКУ), мм:

( ) ( )21m2

1m Y-YR +−= ХX m . (4.28)

В исходном окне компьютерной программы, представленном на рисун-

ке 4.36, отображаются результаты измерений, выполняемых с угловым ша-

гом 15 угл.мин. (1440 точки в каждом сечении).

В окне в графическом виде отображаются также результаты измерений,

выполненных на четырех имитаторах сегментов, установленных на калибро-

вочном стенде.

В видеодатчике ВД1, расположенном на высоте h=1750мм над круго-

вым источником света КИС, установлен объектив типа LM3NC1M с фокус-

ным расстоянием f=3,5мм и дисторсией D=0,4%. В нем также установлен

115

Рисунок 4.36 – Исходное окно компьютерной программы с результатами

измерений на четырех сегментах, представленных в графическом виде

модуль видеокамеры типа WAT-902HB2S с ПЗС-матрицей размером 1/2

дюйма (МX=6,4мм, MY=4,8мм).

В видеодатчике ВД2 установлены объектив типа LM35JC10M с фокус-

ным расстоянием f1=35мм (дисторсия 0,05%) и однотипный модуль видеока-

меры.

Круговой источник света КИС содержит узел лазерного нивелира

PLS360, создающий круговой свет «толщиной» d≈3мм.

В соответствии с приведенными исходными данными вычисляются:


натной оси Х видеокадра видеосигнала видеодатчика ВД1 DХ=2400мм;

116

- по (2.10) диаметр изображения фрагмента контролируемой поверхно-

сти в видеокадре видеосигнала видеодатчика ВД1 в направлении координат-

ной оси Y d*=1дискрет;


оси Х видеокадра в видеосигнале видеодатчика ВД1, при компьютерной об-

работке m=1 изображений в К=8 видеокадрах NХЛ=4600дискрет;


ответствующих геодезических измерений δ=0,5мм и m=1мм.

Контроль геометрических параметров производится сравнением изме-

ренных параметров (высота, угол в перпендикулярном сечении и радиус точ-

ки) с проектными параметрами контролируемой поверхности.

Видеоконтрольное устройство приказом «Росстандарта» от

20.11.2013г. №1371 внесено в государственный реестр под №55603-13 в ка-

честве типа средства измерений с выдачей Свидетельства RU.E.27.003.A

№53123 (ПРИЛОЖЕНИЕ В).

На основе контрольных измерений СКП определения радиуса точки

контролируемой поверхности составила не более 1мм.

ВКУ может быть создано также по разработанной автором схеме с ис-

пользованием лазерного дальномера, представленной на рисунке 4.37 [48].

Схема содержит установленные неподвижно над контролируемой по-

верхностью КП видеодатчик ВД и экран Э.

Внутри контролируемой поверхности КП с помощью троса ТС с задан-

ным шагом перемещается корпус К, на котором закреплены визирные марки

ВМ1-ВМ2, находящиеся в поле зрения видеодатчика ВД.

В корпусе установлены лазерный дальномер ЛД, размещенный внутри

полой оси ПО, связанной с шаговым двигателем ШД и угловым датчиком

УД.

117

ВД Видеодатчик ПО Полая ось

ВМ Визирная марка ТС Трос

З Зеркало УД Угловой датчик

К Корпус ШД Шаговый двигатель

КП Контролируемая поверхность Э Экран

ЛД Лазерный дальномер

Рисунок 4.37 - Схема ВКУ с лазерным дальномером

На торце полой оси установлено вращаемое зеркало З2, отражающее

свет лазера на неподвижное зеркало З1 или на контролируемую поверхность

КП.

При выполнении измерений на каждом шаге перемещения корпуса К

внутри контролируемой поверхности КП с помощью зеркала З2 лазерный луч

вначале направляется на неподвижное зеркало З1, отражается от него,

направляется на экран Э и измеряется высота ВКУ.

При дальнейшем вращении зеркала З2 лазерный луч направляется на

контролируемую поверхность и с заданным угловым шагом измеряются ра-

диусы соответствующих точек поверхности.

Смещения и повороты корпуса К внутри контролируемой поверхности

КП, как и в предыдущей схеме, учитываются с помощью видеодатчика ВД и

визирных марок ВМ1-ВМ2 на основе компьютерной обработки изображений

в видеокадре видеодатчика ВД.

118

Достоинством схемы в сравнении с предыдущей схемой является воз-

можность выполнения измерений в области тени от выступающих частей

контролируемой поверхности, в которых в предыдущей схеме измерения не-

возможны.

Кроме того, в новой схеме могут быть существенно уменьшены масса и

габариты ВКУ. Однако для реализации новой схемы необходим лазерный

дальномер с временем измерений не более 1мс и погрешностью измерений

не более 1мм.


для измерения наклона контролируемого объекта

Задача измерения наклона контролируемого объекта (например, нефте-

наливного танкера) решается с помощью видеоизмерительной системы на

основе видеонаклономера, схема которой представлена на рисунке 4.38

[27,35,39].

Схема содержит видеодатчик ВД, разделенный оптически прозрачным

окном на верхний и нижний герметичных отсека.

В верхнем отсеке реализована схема видеоавтоколлиматора, содержа-

щего светоделительную призму-куб СП, на смежных гранях которой в фо-

кальных плоскостях объектива ОБ закреплены тест-марка ТМ в виде кругло-

го окна (диафрагмы), освещенного светодиодным осветителем ОС, и ПЗС-

матрица в составе модуля видеокамеры МВ.

В нижнем отсеке содержится жидкость, свободная поверхность кото-

рой устанавливается горизонтально (перпендикулярно направлению силы

тяжести). Ее поверхность служит в качестве автоколлимационного зеркала

видеоавтоколлиматора.

119

ВД Видеодатчик ОС Осветитель





Рисунок 4.38 – Видеоизмерительная система для измерения наклона

контролируемого объекта на основе видеонаклономера


ром ВП, компьютером ПК и компьютерной программой, записанной в энер-

гонезависимой памяти компьютера.

При приведении видеодатчика (контролируемого объекта) в горизон-

тальное положение автоколлимационное изображение тест-марки располага-

ется в центре видеокадра.

При наклонах видеодатчика (контролируемого объекта) без учета вли-

яния прочих факторов изображение тест-марки в видеокадре смещается в со-

ответствующем направлении на определенную величину, что служит осно-


Выходной видеосигнал ВС видеодатчика ВД преобразуется в ви-

деопроцессоре ВП из аналоговой в цифровую форму, полученные массивы

цифровых данных передаются в компьютер, обрабатываются в нем под

120 управлением компьютерной программы и вычисляется искомый угол накло-

на контролируемого объекта.

На начальном этапе при горизонтальном положении видеодатчика по

(2.4) вычисляются начальные координаты *0

*0 ,YХ центра изображения тест-

марки в видеокадре, дискрет. Они записываются в «Опции» компьютерной

программы в качестве констант.


числяются:

Шаг 1. По (2.4) координаты ** ,YХ центра изображения тест-марки в


Шаг 2. Искомые углы наклона контролируемого объекта в направлени-

ях координатных осей видеокадра:

))((

))((*

0*

*0

*

YY

ХХ

YY

ХХ

−=

−=

ϕδϕ

ϕδϕ (4.29)

где )(),( ϕϕ YХ kk - угловые масштабные коэффициенты, определяемые на осно-

ве калибровочных измерений, записанные в качестве констант в «Опции»

специальной прикладной компьютерной программы.

При установке в видеодатчике модуля видеокамеры с ПЗС-матрицей

размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм), объектива с фокусным расстоя-

нием f =100мм и тест-марки с окном диаметром d=0,3мм вычисляются сле-

дующие параметры видеоизмерений:

- по (2.10) диаметр изображения тест-марки в видеокадре d*=48дискрет;

- по (2.6) число дискретов (центров изображений тест-марки), выделя-

емых в направлениях координатных осей видеокадра при компьютерной об-

работке m=1 изображений в К=4 видеокадрах NТМХ=15000дискрет и

NТМY=11300дискрет;

121

- по (2.8) угловые диапазоны видеоизмерений в направлениях коорди-

натных осей видеокадра ΔφХ=3,5угл.град. и ΔφY=2,6угл.град.;


ветствующих геодезических измерений δХ=0,8угл.сек. и mХ=1,6угл.сек.

Видеонаклономер может быть создан также по разработанной автором

схеме, представленной на рисунке 4.39 [40].

ВД Видеодатчик ОБ Объектив

ВП Видеопроцессор ОС Осветитель


КЗ Кольцевое зеркало РМО Рабочее место оператора


Рисунок 4.39 – Схема видеоизмерительной системы на основе

видеонаклономера с дополнительным кольцевым зеркалом

В отличие от предыдущей схемы он дополнительно содержит кольце-

вое зеркало КЗ, благодаря которому в видеокадре наблюдаются два изобра-

жения тест-марки, одно из которых, отраженное от кольцевого зеркала,

122 неподвижно, а другое, отраженное от поверхности жидкости, подвижное, пе-

ремещаемое в видеокадре в зависимости от измеряемого угла наклона.

Положение подвижного изображения тест-марки относительно непо-

движного без учета действия прочих факторов зависит от искомого угла

наклона контролируемого объекта, что служит основой для видеоизмерений.

Отличительной особенностью последней от предыдущей схемы явля-

ется независимость результатов видеоизмерений от стабильности простран-

ственного положения оптической оси видеодатчика, что повышает точность



для измерения планового положения контролируемого

объекта относительно прямого и обратного отвесов

Задача решается с помощью видеоизмерительной системы на основе

видеокоординатометра, схема которой представлена на рисунке 4.40 [35-

36,39].

Схема содержит видеодатчики ВД1-ВД2, установленные на общем ос-

новании, закрепленном на контролируемом объекте, и рабочее место опера-

тора с видеопроцессором ВП, компьютером ПК и компьютерной програм-

мой, записанной в энергонезависимой памяти компьютера.

Визирные оси Z1,Z2 видеодатчиков - координатные оси Х1,Х2 видео-

кадров телевизионных видеосигналов ВС1-ВС2 - параллельны друг другу и

лежат в горизонтальной плоскости. Расстояние между визирными осями рав-

но L. Струна отвеса С перпендикулярна плоскости рисунка и находится в по-

лях зрения видеодатчиков.

123




Рисунок 4.40 – Видеоизмерительная система

на основе видеокоординатометра

В результате в видеокадрах содержатся изображения участков струны,

смещения которых от исходного положения без учета влияния прочих фак-

торов зависят от искомых плановых смещений контролируемого объекта от-

носительно струны отвеса, что служит основой для видеоизмерений.

Видеосигналы в видеопроцессоре преобразуются из аналоговой в циф-

ровую форму, соответствующие массивы цифровых данных передаются в

компьютер, обрабатываются в нем под управлением компьютерной програм-

мы и вычисляются искомые параметры видеоизмерений.

На начальном этапе выполнения калибровочных измерений компью-



*01 ,YX и *

02*02 ,YX центров изображений

участков струны в видеокадрах, дискрет.

Шаг 2. По (2.16) визирные углы φ01 и φ02 в плоскости рисунка, под ко-

торыми наблюдается струна отвеса в полях зрения видеодатчиков ВД1-ВД2,

радиан.

Шаг 3. Исходные координаты струны в плоскости рисунка, определяе-

мые по известному геодезическому методу «прямой засечки», мм:

124

Ltgtgtgtg

Ltgtg

X

21

210

21

20

Z

tg

ϕϕϕϕϕϕ

ϕ

+⋅

=

+=

, (4.30)

которые в качестве констант записываются в «Опции» специальной приклад-

ной компьютерной программы.


числяются:


*1 ,YX и *

2*2 ,YX центров изображений участ-

ков струны в видеокадрах, дискрет.

Шаг 2. По (2.16) текущие (на момент выполнения измерений) визирные

углы φ1 и φ2 в плоскости рисунка, под которыми наблюдается струна в полях

зрения видеодатчиков, радиан.

Шаг 3. Текущие координаты ZX , струны в плоскости рисунка, мм.

Шаг 4. Искомые плановые смещения контролируемого объекта относи-

тельно струны (относительного исходного положения контролируемого объ-

екта) отвеса, мм:

0

0

ZZZXХX

−=∆−=∆

. (4.31)

При установке в видеодатчике модуля видеокамеры с ПЗС-матрицей

размером 1/3 дюйма (МХ=4,8 мм, МY=3,6 мм) и объектива с фокусным рас-

стоянием f=8 мм при диаметре струны d=1 мм, расположенной на расстоянии

S=300 мм от видеодатчиков, вычисляются следующие параметры видеоизме-

рений:

- по (2.10) ширина изображения участка струны в видеокадре

d*=4дискрет;

125

- по (2.6) число дискретов (центров изображений участков струны), вы-


обработке К=1 видеокадра в каждом видеоизмерении NЦ=2100дискрет;

- по (2.9) линейный диапазон видеоизмерений DХ=180мм;


ответствующих геодезических измерений Δ=0,1мм и m=0,2мм.

Плановое положение контролируемого объекта относительно струны

обратного отвеса может определяться также с помощью разработанной авто-

ром видеоизмерительной системы, содержащей спутниковый приемник

ГЛОНАСС-GPS, схема которой представлена на рисунке 4.41 [23,38].

А Антенна ОСН Основание

ВД Видеодатчик П Поплавок


ВО Верхнее окно С Струна обратного отвеса

ВС Видеосигнал СП Спутниковый приемник

К Корпус ТГ Трегер

НО Нижнее окно ТС Тороидальный сосуд с жидкостью

Рисунок 4.41 - Схема видеоизмерительной системы на основе

видеокоординатометра и спутникового приемника

126

Нижний конец струны обратного отвеса закреплен в коренной породе и

остается неподвижным, а положение основания ОСН, жестко связанного с

плановым положением контролируемого объекта, меняется.

Спутниковый приемник СП, антенна А которого и видеодатчик ВД за-

креплены на трегере ТГ, установленном на корпусе К. В свою очередь, кор-

пус К закреплен на основании ОСН, жестко связанном с контролируемым

объектом.

В корпусе К установлен тороидальный сосуд ТС с жидкостью, в кото-

рой плавает поплавок П, закрепленный на трубе ТР, в основании которой за-

креплен верхний конец струны обратного отвеса С, нижний конец которой

закреплен в коренной породе.

В корпусе и в трубе имеются соответственно верхнее ВО и нижнее НО

окна, через которые в поле зрения видеодатчика наблюдается визирная марка

ВМ, закрепленная на струне.

Струна, натянутая поплавком, устанавливается вертикально (перпенди-

кулярно силе тяжести).

При изменении планового положения контролируемого объекта взаи-

мосвязанно меняются положение изображения визирной марки ВМ в видео-

кадре видеосигнала ВС и показания спутникового приемника СП, что служит

основой для видеоизмерений.


для измерения высотного положения подвижного объекта

Согласно статистике 90% авиакатастроф происходит при взлете (30%)

и посадке (60%) самолета, что делает актуальной задачу более точного изме-

рения высоты полета самолета при посадке.

127

Задача состоит в измерении высоты полета самолета при посадке с

предоставлением пилоту визуальной информации в максимально удобном

для восприятия виде. Она решается с помощью видеоизмерительной системы

на основе видеовысотомера, представленной на рисунке 4.42 [46].

ВД Видеодатчик НЛ Неподвижные линии

ВМ Видеомонитор ОБ Объектив

ВС Видеосигнал ПЛ Подвижные линии

ЛЛ Линейный лазер СЛ Световые линии


Рисунок 4.42 - Схема видеоизмерительной системы

для измерения высоты полета самолета при посадке

Схема содержит видеодатчик ВД, линейные лазеры ЛЛ1 и ЛЛ2, уста-

новленные под фюзеляжем самолета, и видеомонитор ВМ, расположенный

на приборной доске пилота.

Видеодатчик ВД содержит объектив ОБ и модуль видеокамеры с ПЗС-

матрицей. Линейные лазеры установлены с противоположных сторон объек-

тива видеодатчика.

Видеосигнал ВС с выхода видеодатчика передается на видеомонитор

ВМ, на экране которого наблюдаются две подвижные линии ПЛ и на краях

которого нанесены две неподвижные линии НЛ.

128

В поле зрения видеодатчика находятся две параллельные световые ли-

нии СЛ1 и СЛ2, создаваемые линейными лазерами на земной поверхности. В

результате на экране видеомонитора наблюдаются две упомянутые подвиж-

ные линии в виде светлых полос.

Положение подвижных линий относительно неподвижных зависит от

параметров полета самолета - высоты и крена, - что служит основой для ви-

деоизмерений.

На большой высоте полета самолета подвижные линии располагаются

в центре экрана видеомонитора. С уменьшением высоты они смещаются в

противоположные стороны, приближаясь к неподвижным линиям. В момент

посадки самолета подвижные линии совмещаются с неподвижными, что лег-

ко визуально определяется.

При крене самолета подвижные линии параллельно смещаются в сто-

рону крена, что также легко определяется.

В результате пилоту во время посадки предоставляется визуальная ин-

формация о параметрах полета, а также возможность визуального наблюде-

ния земной поверхности, на которую производится посадка, что в совокупно-

сти повышает надежность пилотирования самолета.

При ширине экрана видеомонитора L=200мм и погрешности визуаль-

ного определении момента совмещения друг с другом подвижных и непо-

движных линий на видеомониторе ΔL=1мм, относительная погрешность ви-

деовысотомера составляет:

≈∆⋅

=L

2 Lη 10-2, (4.32)

Например, при высоте полета h=10м указанной относительной погреш-

ности соответствует абсолютная погрешность Δh±0,1м в то время, как по-

грешность используемого в настоящее время радиовысотомера малых высот

типа РВ-5 при тех же условиях составляет ±0,8м [52].

129

Если, к тому же, выполнять компьютерную обработку стандартного те-

левизионного видеосигнала от видеодатчика с вычисление высоты полета

самолета, то, наряду с предоставляемой пилоту визуальной информации о

высоте полета самолета, также можно предоставлять информацию в цифро-

вом виде, что еще более повысит точность измерений, если необходимо.

130

5 ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ

ВИДЕОИЗМЕРЕНИЙ И ВИДЕОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

5.1 Перспективы совершенствования

аппаратурных средств видеоизмерений

Совершенствование аппаратурных средств видеоизмерений, прежде

всего, связано с использованием в видеоизмерительных системах разрабо-

танного автором специализированного видеопроцессора, в котором опреде-

ляются координаты контурных точек изображения наблюдаемого объекта в

видеокадре (рисунок 3.1), что позволяет на несколько порядков уменьшить

объемы массивов цифровых данных, передаваемых в компьютер, и передачу

осуществлять через типовой порт (СОМ, USB). Это также позволяет исполь-

зовать в видеоизмерительных системах любые компьютеры, включая типа

NoteBook.

В ранее использованных контроллерах каждая точка видеокадра коди-

руется шестью байтами информации: по два байта для кодирования коорди-

нат и два байта для кодирования яркости точек видеокадра, в результате чего

объем массива цифровых данных, передаваемых в компьютер при обработке

одного видеокадра, составляет, байт:

W=Nx×Ny×6=767×565×6=2,6×108 (5.1)

Для передачи такого объема цифровых данных, например, в течение

длительности полукадра t=0,02с скорость передачи должна составлять около

108 байт/с, что может быть реализовано только по каналу прямого доступа к

памяти компьютера.

131

Если в видеопроцессоре выделять координаты контурных точек изоб-

ражения наблюдаемого объекта в видеокадре в соответствии с рисунком 2.1,

то объем массива цифровых данных, например, для круглого изображения

диаметром d*=25 дискретов (телевизионных строк) составит, байт:

W=3d×2=3×25×2=150. (5.2)

Такой, уменьшенный на несколько порядков объем цифровых данных,

может передаваться в течение полукадра через типовой компьютерный порт,

что позволяет, как уже упоминалось выше, в видеоизмерительных системах

использовать любые компьютеры.

Работа специализированного видеопроцессора поясняется схемой ри-

сунка 5.1.

Рисунок 5.1 – Принцип действия специализированного видеопроцессора

132

При превышении потенциала видеосигнала ВС установленного поро-

гового значения Uп срабатывает амплитудный компаратор АК видеопроцес-

сора и содержимое счетчика импульсов кварцевого генератора - координата

ХП (передней по ходу телевизионной строки ТС) контурной точки изображе-

ния визирной цели ВЦ - записывается в регистр RG1 видеопроцессора.

При уменьшении потенциала видеосигнала ВС ниже порогового значе-

ния Uп вновь срабатывает амплитудный компаратор АК и содержимое того

же счетчика - координата Хз (задней контурной точки изображения визирной

цели ВЦ - записывается в регистре RG2.

По завершении видеокадра происходит прерывание микроконтроллер-

ной программы видеопроцессора, полученный массив цифровых данных пе-

редается через типовой компьютерный порт за время телевизионного полу-

кадра, позволяя тем самым использование в видеоизмерительных системах

практически любых компьютеров.

Блок-схема специализированного видеопроцессора, представленная на

рисунке 5.2 [35,37,39], содержит амплитудный компаратор АК, узел выделе-

ния синхросигналов УСС, кварцевый генератор G, два одновибратора S, два

счетчика-регистра CT2/Rg и микроконтроллер МС.

С каждым строчным импульсом СИ сбрасываются в «0» верхний и

нижний счетчики-регистры CT2/Rg, после чего в них начинается счет им-

пульсов кварцевого генератора G. При этом в верхнем счетчике отсчитывает-

ся число импульсов ХЛ кварцевого генератора, пропорциональное координа-

те левой (по ходу телевизионной строки в видеокадре) контурной точки

изображения в видеокадре, а в нижнем - ХП, пропорциональное координате

правой контурной точки.

Одновременно строчные импульсы СИ, число которых пропорцио-

нально координатам Y контурных точек, отсчитываются в счетчике-таймере

Т1 микроконтроллера МС.

133

АК Амплитудный компаратор СС Селектор синхросигналов

ВС Видеосигнал СТ Счетчик/регистр

КИ Кадровый импульс G Кварцевый генератор

МС Микроконтроллер S Одновибратор

СИ Строчный импульс

Рисунок 5.2 - Блок-схема специализированного видеопроцессора

Когда потенциал фронта видеосигнала ВС больше или равен порогово-

му значению UП, срабатывает амплитудный компаратор АК и в верхнем

счетчике-регистре CT2/Rg запоминается число, пропорциональное координа-

те ХП передней контурной точки.

Когда потенциал спада видеосигнала ВС ниже порогового значения,

вновь срабатывает амплитудный компаратор АК и в нижнем счетчике-

регистре CT2/Rg запоминается число, пропорциональное координате ХЗ зад-

ней контурной точки.

Одновременно в счетчике-таймере Т1 запоминается координата Y пары

контурных точек.

Спадом выходного сигнала амплитудного компаратора АК также ини-

циируется прерывание Int1 микроконтроллера МС и информация из счетчи-

ков-регистров и счетчика-таймера записывается в памяти микроконтроллера

МС.

134

В конце видеокадра кадровым импульсом КИ инициируется прерыва-

ние Int2 микроконтроллера МС и массив цифровых данных, содержащий ко-

ординаты контурных точек изображения в видеокадре, - через типовой порт

записывается в памяти компьютера, после чего счетчики-регистры CT2/Rg и

счетчик-таймер Т1 «обнуляются».

Принципиальная схема специализированного видеопроцессора, разра-

ботанная автором, представлена на рисунке 5.3.

Рисунок 5.3 – Специализированный видеопроцессор,

схема электрическая принципиальная

Амплитудный компаратор реализован на микросхеме D1 (LM311), на

прямой вход которого подается видеосигнал VS, а на инверсный – пороговое

135 напряжение с резистора R2. Cтрочный СИ и кадровый КИ импульсы форми-

руются микросхемой D2 (LA7213). Одновибраторы, реализованные на мик-

росхеме D3 (КР1533АГ3), формируют положительные импульсы длительно-

стью около 100нс.

Кварцевый генератор, собранный на микросхеме D4 (ГК240), формиру-

ет импульсы с частотой 14,7456 МГц. Двоичные счетчики-регистры реализо-

ваны на микросхемах D5-D8 (SN74LS590N). Микроконтроллер, реализован-

ный на микросхеме D9 (AТmega644-20PU), содержит память программ

(FLASH) 64K, память данных (EEPROM) 2К и оперативную память (SRAM)

4К. Тактовая частота микроконтроллера составляет 20МГц. Сигналы CОМ-

порта формируются с помощью микросхемы D10 (ADM232A). Электропита-

ние схемы обеспечивается с помощью преобразователя постоянного тока

(12В/5В), реализованного на микросхеме D11 (PSR-7805LF).

На рисунке 5.4 представлены осциллограммы: видеосигнала ВС (1),

выходного сигнала амплитудного компаратора АК (2) и выходных сигналов

RS-триггера (3 и 4).

Положительным перепадом с выхода 3 ячейки D5.4 производится за-

пись содержимого счетчика (координаты ХЛ – левой контурной точки изоб-

ражения наблюдаемого объекта), собранного на ячейках D7.1, D7.2 и D8.1, в

регистр, собранный на микросхемах D9 и D10, а перепадом с выхода 11

ячейки D5.2 - запись в регистр, собранный на микросхемах D11 и D12 (коор-

динаты ХП – правой контурной точки).

На основе разработанных автором алгоритмов совместно с

Н.А.Кузяновым созданы микроконтроллерные программы специализирован-

ного видеопроцессора и с П.В.Бодунковым – специальные прикладные ком-

пьютерные программы видеоизмерений.

136

Рисунок 5.4 – Осциллограммы видеосигнала ВС (1), выходного сигнала

амплитудного компаратора АК (2) и выходных сигналов RS-триггера (3 и 4)

Исходное окно специальной прикладной компьютерной программы

представлено на рисунке 5.5.

В окне контурными точками отображено круглое автоколлимационное

изображение тест-марки в видеокадре.

На основе специализированного видеопроцессора создан видеоавто-

коллиматор, работающий совместно с портативным компьютером типа

NoteBook.

Кроме того, на основе специализированного видеопроцессора создан

видеоавтоколлиматор, работающий в автономном режиме без связи с внеш-

ним компьютером. В нем осуществляется полная обработка видеосигнала с

137 помощью микроконтроллерной программы, используя вычислительную

мощность и память микроконтроллера, содержащегося в видеопроцессоре.

Рисунок 5.5 - Исходное окно компьютерной программы с

контурными точками изображения тест-марки в видеокадре

При этом микроконтроллерной программой выполняется следующее:

Шаг 1. На телевизионных строках (рисунок 1.1), сканирующих изобра-

жение тест-марки в видеокадре, записываются в памяти микроконтроллера

Х,Y-координаты контурных точек изображения тест-марки.

Шаг 2. С формированием кадрового импульса КИ осуществляется пре-

рывание микроконтроллера МС и вычисляются средние значения координат,

записанных в памяти микроконтроллера.

Шаг 3. Вычисляются искомые углы в направлениях координатных осей

видеокадра:

138

*

0

*0

YkХk

YY

ХХ

=

=

ϕ

ϕ, (5.3)

где kХ,kY – угловые масштабные коэффициенты, полученные на основе ка-

либровочных измерений, угл.сек./дискрет.; *

0*0 ,YХ – средние значения координат контурных точек в видеокадре, дискрет.

Определенные перспективы видеоизмерений связаны также с исполь-

зованием в качестве видеодатчика видеоизмерительной системы IP-камеры,

ввиду следующего:

- выходной сигнал IP-камер передается в цифровом виде, что исключа-

ет необходимость в наличии видеопроцессора;

- IP-камеры работают в режиме прогрессивной развертки, что исключа-

ет необходимость в «склеивании» полукадров.

В то же время IP-камерам присущи следующие недостатки:

- ввиду сжатия визуальной информации, заметно снижается качество

изображения, что заметно снижает погрешность видеоизмерений;

- стоимость IP-камер существенно превышает стоимость аналоговых

модульных видеокамер.

Перспективам видеоизмерения в строительной индустрии посвящен

один из разделов «Временных рекомендаций по организации технологии

геодезического обеспечения строительства многофункциональных высотных

зданий» (М., ООО «Тектоплан», 2007г., стр.56-61).

Перспективы использования видеоизмерительных систем для решения

задач инструментального мониторинга деформационного состояния назем-

ных и подземных сооружений представлены в ряде публикаций с участием

автора [5,10,12,16,20,25,44,62].

139

5.2 Перспективы совершенствования

программных средств видеоизмерений

Созданные компьютерные программы видеоизмерений, как правило,

работают в операционных средах общего пользования Windows XP/7.

Главным недостатком операционных сред общего пользования являет-

ся неопределенность времени реакции на запросы прерывания со стороны

специализированной компьютерной программы, что снижает частоту видео-

измерений.

Одним из возможных способов устранения указанного недостатка яв-

ляется перевод специализированной компьютерной программы для работы в

операционной среде реального времени (QNX).

Наиболее перспективным является создание функционально закончен-

ных видеоизмерительных устройств, работающих под управлением микро-

контроллерной программы без связи с внешним компьютером. При этом до-

статочно строго регламентируется время реакции микроконтроллерной про-

граммы на запросы прерывания микропроцессора, что существенно повыша-

ет быстродействие видеоизмерительного устройства.

Определенные перспективы для повышения частоты видеоизмерений

заключены также в возможности создания на основе специализированного

видеопроцессора многоканальных видеоизмерительных систем с параллель-

ной обработкой стандартных телевизионных видеосигналов от многих ви-

деодатчиков.

Наконец, перспективным является размещение видеопроцессоров

вблизи видеодатчиков, что позволяет осуществлять надежную передачу мас-

сивов цифровых данных по радиоканалу без снижения точности видеоизме-

рений.

140

5.3 Перспективы видеоизмерений для решения других задач

На основе видеоизмерений могут решаться не только специальные за-

дачи прикладной геодезии, но и другие задачи, что характеризует широкие

возможности видеоизмерений.

Автором разработан ряд методов видеоизмерений и видеоизмеритель-

ные системы для решения задач, представленных далее.


система для измерения давления в жидкости

Задача состоит в измерении давления в жидкости, слагаемого из атмо-

сферного и гидростатического давлений. Она решается с помощью видеоиз-

мерительной системы [31,35,39], схема которой, представленная на рисунке

5.6.

Схема содержит видеодатчик ВД и рабочее место оператора РМО с ви-

деопроцессором ВП, компьютером ПК и специальной прикладной компью-

терной программой, записанной в энергонезависимой памяти компьютера

Видеодатчик с помощью оптически прозрачного окна разделен на

верхний герметичный и нижний открытый отсеки.

В верхнем герметичном отсеке установлены объектив ОБ, модуль ви-

деокамеры МВ с ПЗС-матрицей и визирные цели ВЦ на основе круглых по-

лупроводниковых светодиодов, расположенных на окружности вокруг объ-

ектива так, как в видеодатчике видеоуровнемера в видеогидростатического

нивелира.

141





Рисунок 5.6 – Схема видеоизмерительной

системы для измерения давления в жидкости

При погружении видеодатчика в жидкость нижний открытый отсек за-

полняется жидкостью, уровень которой, обратно пропорциональный радиусу

R окружности, вписанной в центры изображений визирных целей в видео-

кадре, зависит от измеряемого давления в жидкости на заданной глубине, что


Стандартный телевизионный видеосигнал ВС от видеодатчика переда-

ется на рабочее место оператора РМО, преобразуется в видеопроцессоре из

аналоговой в цифровую форму, соответствующий массив цифровых данных

передается в компьютер, обрабатывается в нем под управлением специаль-

ной прикладной компьютерной программы и вычисляется искомое давление

142 в жидкости. Результаты видеоизмерения записываются в архивном файле в

памяти и отображаются на мониторе компьютера.

При цилиндрической форме нижнего отсека видеодатчика и неизмен-

ной температуре в соответствии с законом Бойля-Мариотта действительно

равенство:

h)( 00 −= hPhРА , (5.4)

где PА – атмосферное давление, Па;

h0 – высота нижнего отсека (максимальный измеряемый уровень жидкости в

нижнем отсеке), мм;

Р – искомое давление в жидкости, Па;

h – измеряемый уровень жидкости в нижнем отсеке, мм.

Искомое давление в жидкости вычисляется по формуле:

АРhhhР−

=0

0 . (5.5)

При установке в верхнем герметичном отсеке видеодатчика модуль ви-

деокамеры с ПЗС-матрицей размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм),

объектив с фокусным расстоянием f=4мм, m=8 визирных целей в виде круг-

лых полупроводниковых светодиодов диаметром d=3мм и видеоизмерения

уровня жидкости в нижнем открытом отсеке выполнять в диапазоне

hmin=50мм и hmax=100мм, то вычисляются следующие параметры видеоизме-

рений:

- по (2.10) диаметр изображения визирной цели в видеокадре для ми-

нимального и максимального измеряемых уровней *minhd =38дискрет и

*maxhd =19дискрет;

143

- по (2.15) относительная погрешность видеоизмерений при компью-

терной обработке m=8 изображений в К=8 видеокадрах η=4×10-5;

- по (2.27) линейное разрешение (чувствительность к изменению уров-

ня жидкости в нижнем отсеке видеодатчика) для минимального и макси-

мального измеряемых уровней δmin=0,002мм и δmax=0,004мм.

Принимая во внимание, что в воде на глубине hатм=20м гидростатиче-

ское давление составляет 1атм, вычисляются погрешности видеоизмерений

давления в воде ΔPmin=0,01ПА и ΔPmax=0,02ПА.

Для диапазона ∆h=50мм уровня жидкости в нижнем отсеке видеодат-

чика вычисляется диапазон видеоизмерений давления в воде ΔP=250ПА.


система для измерения плотности жидкости

Задача состоит в измерении плотности жидкости, например, в химиче-

ском производстве. Она решается с помощью видеоизмерительной системы

на основе видеоплотномера [26,35,39], схема которой, представленная на ри-

сунке 5.7.

Схема содержит погружаемый в жидкость видеодатчик ВД, разделен-

ный оптически прозрачным окном на верхний герметичный и нижний откры-

тый отсеки.

В верхнем герметичном отсеке, как и в предыдущей схеме, установле-

ны объектив ОБ, модуль видеокамеры МВ с ПЗС-матрицей и визирные цели

ВЦ в виде круглых полупроводниковых светодиодов, расположенных на

окружности вокруг объектива.

В нижнем отсеке установлен поплавок П с зеркалом З, свободно пла-

вающий в жидкости.

144

ВД Видеодатчик ОБ Объектив


ВС Видеосигнал ПП Поплавок



Рисунок 5.7 - Схема видеоплотномера




В соответствии с законом Архимеда глубина погружения поплавка в

жидкость обратно пропорциональна плотности жидкости.

Глубина погружения поплавка в жидкость определяется компьютерной

обработкой видеосигнала ВС, содержащего изображения визирных целей,

отраженные от поверхности жидкости и зеркала З, закрепленного на поплав-

ке.

145

Разность между уровнями жидкости и зеркала (глубина погружения

поплавка в жидкость) обратно пропорциональна измеряемой плотности жид-

кости, что служит основой для видеоизмерений.

Специальной прикладной компьютерной программой вычисляются:

Шаг 1. Аналогично (2.13) уровни зеркала и поверхности жидкости, мм:

0*

0*

hRCh

hRCh

ЖЖ

ЗЗ

+=

+=

, (5.6)

где **З , ЖRR – радиусы окружностей, на которых располагаются изображения

ВЦ в видеокадре, отраженные соответственно от зеркала и жидкости, дис-

крет;

С – константа, определяемая на основе калибровочных измерений, записан-

ная в «Опции» компьютерной программы, дискрет×мм.

Шаг 2. Разность уровней (глубина погружения поплавка в жидкость),

мм:

**

**

ЖЗhЖЗ

ЖЗ

RRRR

Сhh−

=−=∆ ; (5.7)

Шаг 3. На основе закона Архимеда:

*Ж

*З

*Ж

*З

RRR-R

С)( ghhgР ЖЗ ρρ =−= , (5.8)

искомая плотность жидкости равна:

146

gCР

⋅⋅

= *Ж

*З

*Ж

*З

R-RRR

ρ . (5.9)

где Р – вес поплавка с зеркалом, Г;

ρ – искомая плотность жидкости, Г/см3;

g – ускорение силы тяжести, м/с2.

Если в верхнем отсеке видеодатчика установить модуль видеокамеры с

ПЗС-матрицей размером 1/3 дюйма, объектив с фокусным расстоянием

f=4мм, m=8 визирных целей в виде круглых полупроводниковых светодио-

дов диаметром d=3мм, видеоизмерения выполнять в диапазоне уровней по-

гружения поплавка в жидкость от hmin=100 до hmax=150мм, то при радиусе

верхней цилиндрической части поплавка R=20мм и толщине стенки ΔR=1мм

вычисляются следующие параметры видеоизмерений:

- по (2.10) диаметр изображений визирной цели в видеокадре для ми-

нимального и максимального уровней погружения поплавка в жидкость *

minhd =20дискрет и *maxhd =13дискрет;


терной обработке m=8 изображений в К=8 видеокадрах η=4×10-5;

- по (2.27) линейное разрешение (чувствительность к погружению по-

плавка в жидкость) для минимального и максимального измеряемых уровней

до поверхности жидкости и зеркала поплавка δhmin=0,004мм и δhmax=0,006мм.

Для воды с ρ=1г/см3 вычисленным значениям линейного разрешения

соответствуют плотности Δρmin=5×10-4г/см3 и Δρmax=7×10-4г/см3.

147


для измерения показателя преломления жидкостей и газов

Задача состоит в измерении показателя преломления жидкостей и га-

зов, например, при экспресс-анализе качества нефтепродуктов.

Схема видеоизмерительной системы на основе видеорефрактометра

[34-35,39], представленная на рисунке 5.8, содержит видеодатчик ВД, выпол-

ненный в герметичном корпусе, и зеркало З, установленное на фиксирован-

ном расстоянии от видеодатчика. Она также содержит рабочее место РМО с

видеопроцессором ВП, компьютером ПК и компьютерной программой, запи-

санной в энергонезависимой памяти компьютера.





Рисунок 5.8 - Схема видеоизмерительной

системы на основе видеорефрактометра

148

Если видеодатчик поместить в вакууме, то изображения визирных це-

лей в видеокадре стандартного телевизионного видеосигнала ВС располо-

жатся на окружности с максимальным радиусом. Если же его поместить (за-

полнить промежуток между оптически прозрачным окном видеодатчика и

зеркалом З) в исследуемые газ или жидкость, то изображения визирных це-

лей в видеокадре расположатся на окружности с меньшим радиусом.

Зависимость радиуса вероятнейшей окружности, вписанной в центры

изображений визирных целей в видеокадре, от показателя преломления сре-

ды служит основой для видеоизмерений.

Видеоизмерения выполняются под управлением специальной приклад-

ной компьютерной программы в следующей последовательности:

Шаг 1. Видеодатчик помещается в эталонной среде газа или жидкости с

известным показателем преломления nЭ и по (2.4) вычисляются координаты

центров изображений визирных целей в видеокадре ** , mm YХ , дискрет.

Шаг 2. По (2.21) вычисляется радиус *ЭR вероятнейшей окружности, на

которой располагаются изображения визирных целей в видеокадре, дискрет.

Шаг 3. Видеодатчик помещается в исследуемые газ или жидкость и

аналогично вычисляются радиусы *R вероятнейшей окружности, дискрет.

Шаг 4. Вычисляется относительный (по отношению к показателю пре-

ломления эталонной среды) показатель преломления исследуемого газа или

жидкости:

*

*Э

ЭRR

nnОТН = . (5.10)

Если в качестве эталонной среды использовать сухой воздух с показа-

телем преломления nЭ=1,00027, то с погрешностью 0,01% будет измерен аб-

солютный показатель исследуемой среды:

149

*

*RR

n В≈ . (5.11)

Если в видеодатчике в качестве визирных целей использовать полупро-

водниковые светодиоды с различной длиной волны света, то видеоизмерения

можно будет выполнять на различных участках спектра света.

Изменяя расстояние до зеркала З можно менять диапазон и точность


Если в видеодатчике установить модуль видеокамеры с ПЗС-матрицей

размером 1/3 дюйма (МХ=4,8мм, МY=3,6мм), объектив с фокусным расстоя-

нием f=8мм, m=24 визирных целей в виде круглых полупроводниковых све-

тодиодов диаметром d=3мм и расстоянии между видеодатчиком и зеркалом

установить h=100мм, то вычисляются следующие параметры видеоизмере-

ний:

- по (2.10) с учетом того, что ход световых лучей в среде увеличивается

в n (абсолютный показатель преломления) раз, диаметры изображений ви-

зирных целей в видеокадре для вакуума и исследуемой среды с nИ=1,5 *Вd =38дискрет и *

Иd =26дискрет;


терной обработке m=24 изображений в К=8 видеокадрах η=1,4×10-5;

- по (2.27) линейное разрешение (чувствительность к изменению пока-

зателя преломления среды) для вакуума и исследуемой среды с nИ=1,5

δВ=0,0014 и δИ=0,0021.

150

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основной итог диссертационной работы заключается в следующем:

o Разработан новый в прикладной геодезии метод видеоизмерений,

основанный на компьютерной обработке изображения наблюдаемого объекта

в стандартном телевизионном видеосигнале, обеспечивающий выполнение

высокоточных (с относительной погрешностью 0,01%), оперативных (10 из-

мерений в секунду), длительных (в течение срока эксплуатации сооружения),

непрерывных и периодических измерений с выдачей конечного результата

решаемой задачи в автоматизированном режиме и в реальном времени.

o Разработаны теоретические основы видеоизмерений, обеспечива-

ющие создание математических моделей, алгоритмов микропроцессорных и

компьютерных программ, вычисление параметров видеоизмерений и созда-

ние видеоизмерительных систем с выдачей конечного результата решаемой

задачи в автоматизированном режиме и в реальном времени.

o Разработаны методы и видеоизмерительные систем для решения

следующих задач прикладной геодезии:

- мониторинг плановых и крутильных колебаний высотного сооруже-

ния;

- контроль плановых координат точек сооружения в местной коорди-

натной системе;

- измерение высотного положения узлов сооружения;

- контроль положения объекта относительно заданного (проектного)

направления;

- контроль положения объекта относительно заданного створа;

- передача заданного направления (азимута) с неподвижного основания

на подвижный объект в одном горизонте и с одного горизонта на другой;

151

- мониторинг деформаций несущих конструкций (тюбингов) тоннель-

ного сооружения;

- измерение весовых деформаций наклоняемого массивного узла со-

оружения;

- контроль геометрии внутренней вертикальной цилиндрической по-

верхности;

- измерение наклона контролируемого объекта;

- измерение положения контролируемого объекта относительно струны

прямого и обратного отвесов;

- измерение высотного положения подвижного объекта.

o Разработан новый метод преобразования стандартного телевизи-

онного видеосигнала из аналоговой в цифровую форму и создан специализи-

рованный видеопроцессор с выделением координат контурных точек изоб-

ражения наблюдаемого объекта в видеокадре и передачей массивов цифро-

вых данных через типовой компьютерный порт за время одного телевизион-

ного полукадра, что позволило в видеоизмерительных системах использовать

практически любые компьютеры.

Внедрение новых научно обоснованных технических решений на уни-

кальных инженерных сооружениях в ряде регионов России внесло значи-

тельный вклад в развитие страны.

В диссертационной работе также:

o При непосредственном участии автора в качестве главного разра-

ботчика созданы видеоизмерительные системы, успешно эксплуатируемые

на многих уникальных сооружениях в ряде регионов России

(ПРИЛОЖЕНИЕ А).

o Разработаны алгоритмы и совместно с Бодунковым П.В. и Кузяно-

вым Н.А. созданы специальные прикладные компьютерные и микропро-

152 цессорные программы, обеспечивающие надежное функционирование ви-

деоизмерительных систем.

Кроме того, в диссертационной работе даны следующие рекомендации:

o В видеоизмерительных системах использовать разработанный авто-

ром специализированный видеопроцессор, что способствует созданию мно-

гоканальных видеоизмерительных систем с параллельной обработкой видео-

сигналов от многих видеодатчиков и тем самым существенно повышает ча-

стоту видеоизмерений.

o Осуществить перевод специальной прикладной компьютерной про-

граммы из операционной среды общего пользования (Windows) в операцион-

ную среду реального времени (QNX), что позволит более строго регламенти-

ровать время реакции операционной системы на запросы обслуживания пре-

рываний и тем самым еще более повысить частоту видеоизмерений.

В диссертационной работе также представлены перспективы видео-

измерений, связанные, прежде всего, с решением новых специальных задач

прикладной геодезии и других задач.

153

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

А Антенна

АЗ Автоколлимационное зеркало

АК Антенная кабина

Б Балка

БП Блок питания

ВВК Вертикальный видеоканал

ВГС Видеогидростатическая система

ВД Видеодатчик

ВК Видеокадр

ВКУ Видеоконтрольное устройство

ВМ Визирная марка

ВО Верхнее окно

ВП Видеопроцессор



ГЗ Геодезический знак

Д Дискриминатор

З Зеркало

ЗТ Зрительная труба

И Схема логического умножения

ИЛ Иллюминатор

ИТ Исходная точка

К Корпус

КЗ Кольцевое зеркало

КИ Кадровый импульс

КИС Кольцевой источник света

КН Контроллер

154

ЛД Лазерный дальномер

ЛЛ Линейный лазер

МВ Модуль видеокамеры (с ПЗС-матрицей)

МВС Мобильная видеоизмерительная система

МКО Матрица круглых окон

МС Микроконтроллер

НЛ Неподвижная линия

НО Нижнее окно


ОС Осветитель светодиодный

П Поплавок

ПЗС Прибор с зарядовой связью

ПК Компьютер

ПЛ Подвижная линия

ПО Полая ось

РМО Рабочее место оператора

РУ Регистрирующее устройство

С Струна

СД Субдатчик

СИ Строчный импульс

СКО Среднее квадратическое отклонение

СКП Средняя квадратическая погрешность

СЛ Световая линия

СП Светоделительная призма

СПР Спутниковый приемник

СС Селектор сигналов

СЧ Счетчик

Т Триггер

ТГ Трегер

155

ТЕ Тороидальная емкость

ТМ Тест-марка

ТР Труба

ТС

Угл.град.

Угл.мин.

Угл.сек.

Трос

Угловой градус

Угловая минута

Угловая секунда

УД Угловой датчик

ШД Шаговый двигатель

Э Экран

156

СПИСОК ОСНОВНЫХ ТЕРМИНОВ

Видеоизмерение Измерение, основанное на компьютерной обра-

ботке изображения наблюдаемого объекта в

стандартном телевизионном видеосигнале.

Видеодатчик Первичный измерительный преобразователь

видеоизмерительной системы, формирующий

стандартный телевизионный видеосигнал, со-

держащий изображение наблюдаемого объекта.

Видеоизмерительная

система

Аппаратурно-программный комплекс, аппара-

турная часть которого содержит типовые про-

мышленные узлы, а основные функции выпол-

няются на программном уровне

Контроллер

Специализированный

видеопроцессор

Электронное устройство, предназначенное для

преобразования стандартного телевизионного

видеосигнала из аналоговой в цифровую форму

с передачей полученных массивов цифровых

данных в память компьютера

Электронное устройство, предназначенное для

преобразования стандартного телевизионного

видеосигнала из аналоговой в цифровую форму

с выделением координат контурных точек изоб-

ражения наблюдаемого объекта в видеокадре и

с возможностью передачи полученных массивов

цифровых данных через типовой компьютерный

порт за время телевизионного полукадра.

157

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Отсчетное устройство гидростатического

нивелира. - Патент на изобретение RU №2112922. – Бюл. №16, 1998.

2 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Пороговый уровнемер. - Патент на изоб-

ретение RU №2145061. – Бюл. №3, 2000.

3 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Цветков В.И., Ленский Ю.В., Якушев

В.Г., Каменский Л.П. Устройство передачи горизонтального направления с

одного горизонта на другой. - Патент на изобретение RU №2152591. – Бюл.

№19, 2000.

4 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Уровнемер. - Патент на изобретение RU

№2160430. – Бюл. №34, 2000.

5 Рязанцев Г.Е., Буюкян С.П., Жидков А.А., Надолинец Л.Д. Методы и

средства автоматизации инструментального геомониторинга при

строительстве и эксплуатации подземных сооружений // Тр. Юбилейной

научно-практической конференции «Подземное строительство России на

рубеже ХХI века, итоги и перспективы». – 2000. - С.436-443.

6 Жидков А.А., Буюкян С.П., Надолинец Л.Д., Горелов В.А.

Автоматическая система наблюдений весовых деформаций радиотелескопа

ТНА-1500 // «Геодезист». – 2001. - №6. - С.28-29.

7 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Устройство для передачи горизонтально-

го направления с одного горизонта на другой. - Патент на изобретение RU

№2174215. – Бюл. №27, 2001.

8 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Устройство для передачи горизонтально-

го направления с одного горизонта на другой. - Патент на изобретение RU. -

№2174216. – Бюл. №27, 2001.

9 Буюкян С.П. Видеоизмерение в инженерной геодезии // Изв. вузов.

Геодезия и аэрофотосъемка. – 2002. - №6. - С.27-34.

158

10 Рязанцев Г.Е., Буюкян С.П. Методы и средства автоматизированного

инструментального мониторинга при строительстве и эксплуатации

тоннелей. Труды международной научно-практической конференции

«Тоннельное строительство России и стран СНГ в начале века: опыт и

перспективы». – 2002. - С.507-509.

11 Буюкян С.П. Видеоизмерительная система контроля координат ра-

бочей точки антенны // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2003. - №1.

12 Рязанцев Г.Е., Бубман И.С., Буюкян С.П. Современные методы и

средства автоматизации геодезических наблюдений за деформациями

строительных конструкций // «Геодезист». – 2003. - №1-6. - С.21-24.

13 Буюкян С.П. Видеоизмерительная система гидростатического ниве-

лира // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2003. - №2. - С.128-130.

14 Буюкян С.П. Видеоизмерительные системы для передачи направле-

ния с одного горизонта на другой // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -

2003. - №3. - С.108-118.

15 Буюкян С.П., Гинце А.С., Шекшня В.В., Колесников А.А., Рубинчик

Э.Б., Никоноров В.Б., Рязанцев Г.Е. Устройство автоматического контроля

положения проходческого комплекса. - Патент на изобретение RU

№2197616. – Бюл. №3, 2003.


инструментального геотехнического мониторинга // Основания, фундаменты

и механика грунтов. - 2003. - №3. - С.22-25.

17 Souren P. Bujukjan and Igor J. Vasyutinskiy: Videomeasuring Hydrosta-

tic System. 125th Anniversary of FIG. Paris, April 13-17, 2003.

18 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Соломонов Л.С., Каменский Л.П., Лен-

ский Ю.В., Цветков В.И. Устройство для передачи горизонтального направ-

ления с одного горизонта на другой. - Патент на изобретение RU №2204116.

– Бюл. №13, 2003.

159

19 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Соломонов Л.С., Каменский Л.П.,

Ленский Ю.В., Цветков В.И. Устройство для передачи направления с одного

горизонта на другой. - Патент на изобретение RU №2219494. - Бюл. №35,

2003.


инструментального геотехнического мониторинга на основе видеоизмерений.

Тр. Международной научно-технической конференции, посвященной 225-

летию МИИГАиК, Аэрокосмические съемки и фотограмметрия. – 2004. -

С.117-120.

21 Буюкян С.П., Бодунков П.В. Особенности компьютерных программ

видеоизмерений. Тр. Международной научно-технической конференции,

посвященной 225-летию МИИГАиК, Аэрокосмические съемки и

фотограмметрия. – 2004. - С.175-177.

22 Буюкян С.П., Безматерных М.В., Бодунков П.В. Аппаратурно-

программный комплекс оперативного контроля плановых положений

рабочих точек антенн угломерной радиотехнической системы. Тр.

Международной научно-технической конференции, посвященной 225-летию

МИИГАиК, Геодезия. – 2004. - С.237-241.

23 Буюкян С.П., Безматерных М.В., Бодунков П.В., Никитин П.А.

Автоматизация измерений планового положения струны обратного отвеса.


летию МИИГАиК, Геодезия. – 2004. - С.251-253.

24 Буюкян С.П., Безматерных М.В. Цифровой видеоавтоколлиматор.


летию МИИГАиК, Геодезия. – 2004. - С.254-256.

25 Рязанцев Г.Е., Седельникова И.А., Буюкян С.П. Современные

автоматизированные системы контроля деформаций высотных зданий //

«Технологии бетонов». – 2005. - №2. - С.35-37.

160

26 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Солдатов В.С. Устройство для измере-

ния плотности жидкости. - Патент на изобретение RU №2251678, - Бюл. №13,

2005.

27 Безматерных М.В., Буюкян С.П. Видеонаклономер. - Патент на

изобретение RU №2258906. – Бюл. №23, 2005.

28 Буюкян С.П., Бодунков П.В. Особенности компьютерных программ

видеоизмерений. Юбилейный сб. трудов МГСУ. - 2006. - С.90-91.

29 Буюкян С.П., Бодунков П.В. Мобильная видеоизмерительная

система (МВС) мониторинга состояния строительных конструкций

Лефортовского тоннеля. Юбилейный сб. трудов МГСУ. - 2006. - С.92-97.

30 Безматерных М.В., Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеостворофикса-

тор. - Патент на изобретение RU №2275600. – Бюл. №12, 2006.

31 Буюкян С.П., Солдатов В.С. Датчик давления жидкости в

резервуаре. - Патент на изобретение RU №2301412. - Бюл. №17, 2007.

32 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеоизмеритель плановых координат

контролируемого объекта. - Патент на изобретение RU №2303765. – Бюл.

№21, 2007.

33 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеоизмеритель координат контроли-

руемой точки объекта. - Патент на изобретение RU №2308002. – Бюл. №28,

2007.

34 Зайцев Д.С., Солдатов В.С., Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е.

Видеорефрактометр. - Патент на изобретение RU №2315286. - Бюл. №2,

2008.

35 Буюкян С.П. Видеоизмерительные системы – М.: МИИГАиК, 2008.

– 72с.

36 Буюкян С.П. Видеокоординатометр. - Патент РФ на полезную мо-

дель №89889. – Бюл. №35, 2009.

161

37 Буюкян С.П. Видеопроцессор для обработки видеосигнала в видео-

измерительных системах. - Патент на изобретение RU №2395929. – Бюл.

№21, 2010.

38 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Координатометр струны обратного отве-

са. - Патент на изобретение RU №2398187. – Бюл. №24, 2010.

39 Буюкян С.П. Видеоизмерение и видеоизмерительные системы – М.:

МИИГАиК, 2010. – 99с.

40 Буюкян С.П., Янин И.А. Видеонаклономер. - Патент на изобретение

RU №2419071. – Бюл. №14, 2011.

41 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е., Гончаров А.Ф., Цветков А.В. Видео-

устройство для контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндриче-

ской поверхности. - Патент на изобретение RU №2425327. – Бюл. №21, 2011.

42 Буюкян С.П., Рязанцев Г.Е. Видеоавтоколлиматор. - Патент на изоб-

ретение RU №2455668. – Бюл. №33, 2011.

43 Рязанцев Г.Е., Буюкян С.П., Жидков А.А., Назаров И.А. Современ-

ные метрологические и организационные проблемы создания «геодезиче-

ских» автоматизированных систем контроля безопасности строительных

конструкций // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2013. - №1. - С.33-

36.

44 Буюкян С.П. Видеоконтрольное устройство // Изв. вузов. Геодезия и

аэрофотосъемка. - 2013. - №3. - С.13-16.

45 Буюкян С.П. Видеостворофиксатор // Изв. вузов. Геодезия и аэрофо-

тосъемка. - 2013. - №5. - С.45-46.

46 Буюкян С.П., Буюкян З.П., Буюкян А.З. Видеовысотомер. - Патент

на изобретение RU №2523745. – Бюл. №20, 2014.

47 Буюкян С.П. Видеоустройство для передачи заданного направления

с одного горизонта на другой. - Патент на изобретение RU №2583059. – Бюл.

№13, 2016.

162

48 Рязанцев Г.Е., Буюкян С.П., Лапин А.И. Видеоизмерительное

устройство для контроля неровностей внутренней вертикальной цилиндриче-

ской поверхности. – Патент на изобретение RU №2584370. – Бюл. №14, 2016.

49 Буюкян С.П. Видеопроцессор для видеоизмерений. - Патент на

изобретение RU №2598790. - Бюл. №27, 2016.

50 Брайт П.И. Геодезические методы измерений деформаций основа-

ний сооружений. –М., Недра, 1965.

51 Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М., «Недра»,

1976.

52 Волкоедов А.П., Паленый Э.Г. Оборудование самолета, М., «Маши-

ностроение», 1980, с.128-131.

53 Горелик С.Л., Кац Б.М., Киврин В.И. Телевизионные измерительные

системы. М., «Связь», 1980.

54 ГОСТ 7845-92 «Система вещательного телевидения. Основные па-

раметры. Методы измерений».

55 Зацаринный А.В. Автоматизация высокоточных инженерно-

геодезических измерений – М.: Недра, 1976. – 248 с.

56 Исследование геометрической стабильности ПЗС матрицы для точ-

ных линейных измерений, http://videoscan.ru/page/824.

57 Кавунец Л.Н. Гидростатическое нивелирование на строительной

площадке, М., «Недра», 1961.

58 Казанцев Г.Д., Курячий М.И., Пустынский И.Н. Измерительное те-

левидение. М., «Высшая школа», 1994.

59 Неизвестный С.И., Никулин О.Ю. Приборы с зарядовой связью.

Устройство и основные принципы работы. М., «Специальная техника», №3 и

4, 1999.

60 Остроумов Б.В. Анализ опыта эксплуатации Главного монумента

памятника Победы на Поклонной горе. М., «Монтажные и специальные ра-

боты в строительстве», №11, 2003, с.24-27.

http://videoscan.ru/page/824

163

61 Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. М.,

«Радио и связь», 1991.

62 Рязанцев Г.Е. В поисках нетрадиционных решений. М., «Геодезист»,

№1, 2001, с.16-19

63 Справочник геодезиста, книга 2, под ред. проф. Большакова В.Д. и

проф. Левчука Г.П. М., «Недра», 1985, с.194.

64 Теория и практика автоматизации высокоточных измерений в при-

кладной геодезии, под редакцией В.П.Савиных – М.: Академпроект, 2009. –

394с.

65 Уставич Г.А., Костина Г.Д. Геодезические приборы при строитель-

стве и эксплуатации крупных энергетических объектов – М.: Недра, 1983.

66 Фреймграббер VS-56, http://videoscan.ru/page/678.

67 Фреймграббер VS2001/TV, http://videoscan.ru/page/683.



164

ПРИЛОЖЕНИЕ А

(справочное)

165

Продолжение

166

ПРИЛОЖЕНИЕ Б


Вывод формулы для вычисления горизонтального угла между узлами

вертикального видеоканала, установленными на разных горизонтах

При повороте видеокадра на угол ϕ новые координаты Х,Y некоторой

точки вычисляются по известным формулам:

ϕϕϕϕ

sincossincos

00

00

XYYYXX

−=+=

, (П.1)

где Х0,Y0 – координаты точки до поворота видеокадра.

Решение системы уравнений (1) дает:

2

020

00

20

20

00

cos

sin

YXYYXXYX

YXXY

++

=

+−

=

ϕ

ϕ, (П.2)

из чего следует:

00

00

YYXXYXXYtg

+−

=ϕ . (П.3)

В результате искомый угол поворота видеокадра вычисляется по фор-

муле:

00

00

YYXXYXXYarctg

+−

=ϕ . (П.4)

167 Соответственно средний угол поворота видеокадра с учетом изменений

координат m точек вычисляется по искомой формуле, угл.сек.:

01 00

001648000 ϕπ

ϕ −+−

⋅= ∑=

m

m mm

mm

YYXXYXYXarctg

m, (П.5)

где φ0 – начальный угол поворота, определяемый на основе калибровочных

измерений, угл.сек.

168

ПРИЛОЖЕНИЕ В


2 . Содержание. ВВЕДЕНИЕ...

Documents