PL248731B1 - Stanowisko pomiarowe do wyznaczania temperaturowego dryftu obrazu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest stanowisko pomiarowe do wyznaczania dryftu temperaturowego obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową. Stanowisko pomiarowe zawiera kamerę, stojak, wzorzec i charakteryzuje się tym, że kamera (K) zamocowana jest na pierwszym końcu stojaka (S), a w pobliżu drugiego końca stojaka (S) zamocowany jest wzorzec (W), zaś kamera (K) umieszczona jest we wnętrzu komory termicznej (Ko) i jest skierowana na wprost wzorca (W), przy czym komora termiczna (Ko) zawiera pierwszy otwór (Ot1) w ścianie komory (Ko) między kamerą (K), a wzorcem (W), przy czym pierwszy otwór (Ot1) zasłonięty jest klapką (Kl) oraz drugi otwór (Ot2), przez który przebiega stojak (S), przy czym drugi otwór (Ot2) jest zasłonięty izolacją.

Description

Przedmiotem wynalazku jest stanowisko pomiarowe do wyznaczania temperaturowego dryftu obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową.

W większości przypadków przyjmuje się, że po skalibrowaniu kamery, jej parametry obrazowania (parametry wewnętrzne, zewnętrzne oraz parametry korekcji dystorsji) pozostają niezmienne. W rzeczywistości jednak, na skutek narażenia kamery na działanie zmiennych warunków środowiskowych, mogą one ulec zmianie. Jednym z parametrów, które wpływają na parametry kalibracji kamery jest temperatura. Wpływ temperatury na proces obrazowania w kamerze przejawia się na dwa sposoby - obserwuje się dryft obrazu związany z rozgrzewaniem się kamery tuż po włączeniu (ang. warming up process) oraz dryft temperaturowy obrazu związany ze zmianą temperatury otoczenia kamery.

Dotychczas kamery (urządzenia rejestrujące z matrycą światłoczułą) w większości w ogóle nie kompensowały temperaturowego dryftu obrazu rejestrowanego na matrycy podczas pracy w zmiennych warunkach temperaturowych otoczenia. Jest on widoczny w przesunięciu (w zależności od temperatury) położenia obrazu na piksel/piksele światłoczułe, których przesunięcie może wynosić nawet do 1,5-2 piksela od oczekiwanej pozycji na matrycy światłoczułej, przy czym dla dużych kamer obserwowane eksperymentalnie dryfty temperaturowe osiągały nawet do kilku pikseli, co może odzwierciedlać przesunięcia fizycznie obiektu, który rejestruje kamera, nawet o kilka centymetrów (w zależności od użytego obiektywu).

W celu poprawienia jakości systemów wizyjnych istotne jest wyznaczenie temperaturowego dryftu obrazu kamery użytej w danej aplikacji. Do zarejestrowania tego dryftu powinno używać się specjalistycznego stanowiska pomiarowego, które izoluje wpływ zmiennej temperatury na badaną kamerę w ten sposób, że zarejestrowany dryft odzwierciedla jedynie deformacje samej kamery i obiektywu, a nie deformacje stanowiska pomiarowego lub wzorca użytego podczas pomiarów. Dotychczas podczas rejestracji temperaturowego dryftu obrazu kamery pomijało się fakt, że nieodpowiednio przygotowane stanowisko pomiarowe może zafałszować wyniki zarejestrowanego temperaturowego dryftu obrazu.

Z publikacji P. Podbreznik, B. Potocnik „Assessing the influence of temperature variations on the geometrical properties of a low-cost calibrated camera system by using computer vision procedures”, Machine Vision and Applications 23, 953-966 (2012), znane jest stanowisko pomiarowe do rejestracji temperaturowego dryftu obrazu, wykonane z drewna. Na jednym końcu tego stanowiska umieszczona była badana kamera, a na drugim wzorzec w postaci klasycznego wzorca używanego do kalibracji kamer (naprzemienne czarne i białe pola, tzw. szachownica). W celu wymuszenia zmian temperatury, stanowisko umieszczone było w ogrodzie (temperatura nieco poniżej zera) oraz w saunie (temperatura powyżej 40°C). Tak przeprowadzone pomiary temperaturowego dryftu obrazu są zafałszowane, ponieważ na matrycy światłoczułej kamery rejestrowany jest także dryft wynikający z deformacji samego stanowiska (stanowisko wykonane jest z drewna), a także wzorca (wzorzec także narażony był na zmiany temperatury).

W publikacji Yu, Q.; Chao, Z.; Jiang, G.; Shang, Y.; Fu, S.; Liu, X.; Zhu, X.; Liu, H. „The effects of temperature variation on videometric measurement and a compensation method”. Image Vis. Comput. 2014, 32, 1021-1029, do zarejestrowania temperaturowego dryftu obrazu kamery cyfrowej autorzy posłużyli się podobnym wzorcem (szachownica), a także kamerą ustawioną na standardowym statywie, a zmianę temperatury wymuszali za pomocą klimatyzatora. Tak przeprowadzone pomiary temperaturowego dryftu obrazu także są zafałszowane.

Znane są rozwiązania, które służą do eliminacji dryftu obrazu w kamerach wykorzystujących matrycę CCD/CMOS.

Z opisu patentowego CN110798593A znany jest sposób eliminacji dryftu temperatury kamery przemysłowej. Sposób eliminacji dryftu temperatury kamery przemysłowej obejmuje następujące etapy: krok 1, obraz wyjściowy kamery przemysłowej pod wpływem temperatury jest tworzony przez nałożenie P (n, m) na wartość piksela odpowiedniego położenia obrazu i temperatury wartość dryftu obrazu, przy czym dwa sąsiednie obrazy oryginalne są uważane za dwa identyczne obrazy, wartość dryftu temperatury odpowiedniej pozycji poprzedniego obrazu może być przybliżona do wartości dryftu temperatury odpowiedniej pozycji bieżącego obrazu, oraz przybliżona wartość dryftu temperatury to średnia wartość narastania pikseli, czyli średnia wartość dryftu temperatury pikseli (T), oryginalnego obrazu pod wpływem temperatury ze względu na fakt, że na każdą jednostkę światłoczułą kamery przemysłowej wpływa ta sama temperatura. Korzystne efekty wynalazku polegają na tym, że sposób umożliwia normalne użytkowanie kamery przemysłowej pod warunkiem, że nie jest potrzebna kalibracja temperatury poprzez porównanie dwóch sąsiednich obrazów, kontroluje złożone czynniki otoczenia, umożliwia bardziej stabilną pracę kamery, pozwala na dokładniejsze odwzorowanie obrazu, skraca w pewnym stopniu czas potrzebny na kalibrację kamery i poprawia wydajność pracy.

Z opisu patentowego CN112270712A znany jest sposób i system kalibracji dryftu temperatury oparty na module kamery głębokości. Sposób kalibracji obejmuje etapy dostosowywania temperatury otoczenia, w którym znajduje się moduł kamery głębokości, do ustawionej wartości temperatury otoczenia; pozyskiwanie wartości głębokości pomiaru, wartości temperatury źródła światła w czasie rzeczywistym i wartości temperatury czujnika w czasie rzeczywistym modułu kamery głębokości dla płytki kalibracyjnej pod zadaną wartością temperatury otoczenia; obliczanie różnicy między wartością głębokości pomiaru a rzeczywistą wartością głębokości płytki kalibracyjnej w celu uzyskania błędu pomiaru; skonstruowanie funkcji dopasowania, dopasowanie zadanej wartości temperatury otoczenia, wartości temperatury w czasie rzeczywistym źródła światła, wartości temperatury w czasie rzeczywistym czujnika i błędu pomiaru za pomocą funkcji dopasowania oraz obliczenie optymalnego rozwiązania nieokreślonego współczynnika w funkcji dopasowującej oraz przyjęcie optymalnego rozwiązania nieokreślonego współczynnika jako współczynnika dryfu temperatury modułu kamery głębokości.

Z opisu patentowego CN112393808A znany jest sposób i system kompensacji temperatury kamery wrażliwej na temperaturę i należy do dziedziny techniki kamer wrażliwych na temperaturę. Mając na celu rozwiązanie problemów związanych z niską precyzją i niską dokładnością pomiaru kamery czułej na temperaturę ze stanu techniki, wynalazek zapewnia sposób i system kompensacji temperatury dla kamery czułej na temperaturę. Czujnik temperatury jest podłączony przed kamerą wrażliwą na temperaturę, a ciało doskonale czarne jest ułożone, obliczając funkcje temperatury mierzonej przez kamerę wrażliwą na temperaturę, rzeczywistą temperaturę czujnika temperatury, temperaturę ciała doskonale czarnego, temperatura otoczenia i mierzona odległość obiektu, wpływ czynników takich jak dryfowanie kamery, niejednorodność kamery termoczułej, współczynnik załamania światła czujnika temperatury, temperatura otoczenia i mierzona odległość są kalibrowane. Zgodnie z wynalazkiem kompensacja temperatury kamery termoczułej jest realizowana w sposób tani i bardzo precyzyjny, odpowiednia kalibracja odbywa się w czasie rzeczywistym, kamera czuła na temperaturę może być używana przez cały czas po opuszczeniu fabryki i wymaga kalibracji tylko raz, ciała doskonale czarnego nie trzeba ustawiać podczas pomiaru.

Z opisu patentowego CN111182240A znany jest sposób samokompensacji dryftu temperatury dla czujnika obrazu. Poprzez linearyzację i kompensację dryftu pikseli w czasie rzeczywistym dla pozyskiwanego obrazu, problem zniekształcenia wartości piksela wyjściowego czujnika obrazu spowodowany stosunkowo wysoką temperaturą otoczenia został rozwiązany, dzięki czemu czujnik obrazu może normalnie pracować w wąskiej przestrzeni o wysokiej temperaturze przez dłuższy czas, a także poprawiono przydatność czujnika obrazu do środowiska. Sposób ma ogólne zastosowanie do każdego czujnika obrazu, na który ma wpływ temperatura, i powiększa środowisko zastosowania czujnika obrazu.

Rozwiązania ze stanu techniki opisują sposób realizacji kompensacji temperaturowej dryftu obrazu w kamerach, ale nie opisują sposobu realizacji pomiarów niezbędnych do przeprowadzenia identyfikacji modelu kompensacyjnego.

Celem wynalazku jest opracowanie stanowiska pomiarowego do wyznaczania dryftu temperaturowego obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową, które to stanowisko stosowałoby stojak z materiału o niskim współczynniku rozszerzalności termicznej z jednoczesnym umieszczeniem wzorca poza komorą termiczną, a kamera znajdowałaby się w komorze termicznej.

Stanowisko pomiarowe do wyznaczania temperaturowego dryftu obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową, zawierające kamerę, stojak i wzorzec, charakteryzuje się tym, że kamera zamocowana jest na pierwszym końcu stojaka, a w pobliżu drugiego końca stojaka zamocowany jest wzorzec, zaś kamera umieszczona jest we wnętrzu komory termicznej i jest skierowana na wprost wzorca, przy czym komora termiczna zawiera pierwszy otwór w ścianie komory między kamerą a wzorcem, przy czym pierwszy otwór zasłonięty jest klapką oraz drugi otwór, poniżej pierwszego otworu, przez który przebiega stojak, przy czym drugi otwór jest zasłonięty izolacją.

Korzystnie jest, gdy stojak ma postać pręta, płaskownika lub szyny.

Korzystnie jest, gdy stojak wykonany jest z materiału o niskim współczynniku rozszerzalności temperaturowej od 0 do 1,5 x 10^Λ-6 [1/K].

Korzystnie jest, gdy stojak wykonany jest z materiału o bardzo niskim współczynniku rozszerzalności temperaturowej, jak inwar lub szkło typu dewitryfikat.

Korzystnie jest, gdy wzorzec zamocowany jest na manipulatorze, który stanowi stolik liniowy i stolik obrotowy.

Korzystnie jest, gdy klapka zawiera mechanizm otwierająco-zamykający.

Korzystnie jest, gdy komora termiczna ma regulowaną wilgotność względną i temperaturę.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny stanowisko pomiarowego do wyznaczania dryftu temperaturowego obrazu.

Na fig. 1 przedstawione jest stanowisko pomiarowe do wyznaczania dryftu temperaturowego obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową, zawierające kamerę K, stojak S i wzorzec W. Kamera K zamocowana jest na pierwszym końcu stojaka S. Na drugim końcu stojaka S zamocowany jest wzorzec W. Stojak S ma postać pręta. Wzorzec W zamocowany jest na manipulatorze M, osadzonym w stojaku S, który stanowi stolik liniowy oraz zainstalowany na nim stolik obrotowy, tworząc stolik liniowo-obrotowy, którym można poruszać i co umożliwia przemieszczanie i ustawianie wzorca W względem kamery K. Kamera K umieszczona jest we wnętrzu komory termicznej Ko i jest skierowana na wprost wzorca W. Komora termiczna Ko zawiera pierwszy otwór Ot1 w ścianie komory Ko między kamerą K a wzorcem W. Pierwszy otwór Ot1 zasłonięty jest klapką KI, która zawiera mechanizm otwierająco-zamykający umożliwiający otwieranie i zamykanie na czas rejestrowania obrazu przez kamerę K. Komora Ko zawiera także drugi otwór Ot2, poniżej pierwszego otworu Ot1, przez który przebiega stojak S. Stojak S wykonamy jest z inwaru, aby zachować maksymalnie niski współczynnik rozszerzalności temperaturowej. Drugi otwór Ot2 jest zasłonięty elastyczną izolacją, która umożliwia swobodne rozszerzanie się lub kurczenie stojaka S w zależności od temperatury w komorze Ko. Ponadto, dzięki elastycznej izolacji, komora termiczna Ko nie styka się ze stojakiem S. Komora termiczna Ko ma regulowaną wilgotność względną i temperaturę, a stanowisko pomiarowe jest tak zaprojektowane, aby maksymalnie ograniczyć wpływ zmiennej temperatury na wzorzec W usytuowany przed kamerą K. Zmiany temperatury mają wpływ jedynie na badaną kamerę K, a nie na wzorzec W i/lub stojak S.

Obecnie brak jest stanowisk pomiarowych do badania dryftu temperaturowego obrazu, zwłaszcza rejestrowanego przez kamery cyfrowe, które stosowałyby stojak z materiału o niskim współczynniki rozszerzalności termicznej z jednoczesnym umieszczeniem wzorca poza komorą termiczną. Rozwiązanie według wynalazku znajdzie zastosowanie do badania, wyznaczania, kalibracji i rejestrowania dryftu temperaturowego obrazu kamer, zwłaszcza kamer cyfrowych, wykorzystujących matrycę CMOS lub CCD.

Claims (7)

1. Stanowisko pomiarowe do wyznaczania dryftu temperaturowego obrazu, zwłaszcza obrazu rejestrowanego przez kamerę cyfrową, zawierające kamerę, stojak i wzorzec, znamienne tym, że kamera (K) zamocowana jest na pierwszym końcu stojaka (S), a w pobliżu drugiego końca stojaka (S) zamocowany jest wzorzec (W), zaś kamera (K) umieszczona jest we wnętrzu komory termicznej (Ko) i jest skierowana na wprost wzorca (W), przy czym komora termiczna (Ko) zawiera pierwszy otwór (Ot1) w ścianie komory (Ko) między kamerą (K) a wzorcem (W), przy czym pierwszy otwór (Ot1) zasłonięty jest klapką (KI) oraz drugi otwór (Ot2) przez który przebiega stojak (S), przy czym drugi otwór (Ot2) jest zasłonięty izolacją.

2. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1, znamienne tym, że stojak (S) ma postać pręta, płaskownika lub szyny.

3. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że stojak (S) wykonany jest z materiału o niskim współczynniku rozszerzalności temperaturowej od 0 do 1,5 x 10^Λ-6 [1/K].

4. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że stojak (S) wykonany jest z materiału o bardzo niskim współczynniku rozszerzalności temperaturowej, jak inwar lub dewitryfikat.

5. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1, znamienne tym, że wzorzec (W) zamocowany jest na manipulatorze (M), który stanowi stolik liniowy i stolik obrotowy.

6. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1, znamienne tym, że klapka (KI) zawiera mechanizm otwieraj ąco-zamykaj ący.

7. Stanowisko pomiarowe, według zastrz. 1, znamienne tym, że komora termiczna (Ko) ma regulowaną wilgotność względną i temperaturę.