Аспирант
Кандидат технических наук, доцент
Адрес для переписки: Фёдорцев Ростислав Валерьевич – Белорусский национальный технический университет ул. Я. Коласа, 22, 220013, г. Минск, Тел.: +375 17 292-62-86 ltt@bntu.by
Address for correspondence: Feodortsau Rostislav V. – Belarusian National Technical University, 22 Ya. Kolasа str., 220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel: +375 17 292-62-86 ltt@bntu.by
В метрологических оптико-электронных системах, таких как автоколлиматоры, звездные датчики, датчики Шака–Гартмана, в схемах геометрической калибровки цифровых фотокамер для аэрои космической съемки, в различных системах следящего типа, основанных на определении координат изображений простых форм, одним из важных и существенных параметров является точность определения этих координат. В статье приводится описание математической модели измерительного стенда на базе коллиматора, проецирующего тест-объект на фотоприемник оптико-электронного прибора. Математическая модель учитывает характерные шумы для фотоприемников: дробовый полезного сигнала (фотонный) и дробовый темнового сигнала, считывания и пространственную неоднородность элементов ПЗС-матрицы. С целью снижения влияния шумов предлагается применять фильтр Винера для сглаживания изображения и однозначной его идентификации, а также вводить порог по уровню яркости. Приводится сравнение двух алгоритмов определения координат по энергетическому центру тяжести и по контуру. При определении контура тест-объекта использовались детекторы Собела, Прюитт, Робертса, лапласиана гауссиана, Канни. Сущность алгоритма определения координат заключается в поиске контура изображения в виде окружности с последующей его аппроксимацией и определением центра изображения. Произведен расчет погрешности определения координат центра тяжести для тест-объектов различных диаметров (5, 10, 20, 30, 40, 50 пикс) фотоприемника, а также значений отношения сигнал/шум 200, 100, 70, 20, 10. Отношение сигнал/шум рассчитывалось как разница максимальной интенсивности изображения тест-объекта и фона, деленная на среднеквадратическое отклонение фона. С увеличением отношения сигнал/шум улучшается точность определения координат на 0,5–1 порядок. Улучшение точности с увеличением диаметра тест-объекта характерно для больших отношений сигнал/шум: 70 и более. На основании проведенных исследований установлено, что алгоритм определения координат по энергетическому центру тяжести является более точным по сравнению контурными методами и требует меньших вычислительных мощностей (для программного пакета MatLab), что связано с дискретностью при определении контура.
Accuracy in determination of coordinates for image having simple shapes is considered as one of important and significant parameters in metrological optoelectronic systems such as autocollimators, stellar sensors, Shack-Hartmann sensors, schemes for geometric calibration of digital cameras for aerial and space imagery, various tracking systems. The paper describes a mathematical model for a measuring stand based on a collimator which projects a test-object onto a photodetector of an optoelectronic device. The mathematical model takes into account characteristic noises for photodetectors: a shot noise of the desired signal (photon) and a shot noise of a dark signal, readout and spatial heterogeneity of CCD (charge-coupled device) matrix elements. In order to reduce noise effect it is proposed to apply the Wiener filter for smoothing an image and its unambiguous identification and also enter a threshold according to brightness level. The paper contains a comparison of two algorithms for determination of coordinates in accordance with energy gravity center and contour. Sobel, Pruitt, Roberts, Laplacian Gaussian, Canni detectors have been used for determination of the test-object contour. The essence of the algorithm for determination of coordinates lies in search for an image contour in the form of a circle with its subsequent approximation and determination of the image center. An error calculation has been made while determining coordinates of a gravity center for test-objects of various diameters: 5, 10, 20, 30, 40, 50 pixels of a photodetector and also signalto-noise ratio values: 200, 100, 70, 20, 10. Signal-to-noise ratio has been calculated as a difference between maximum image intensity of the test-object and the background which is divided by mean-square deviation of the background. The accuracy for determination of coordinates has been improved by 0.5-1 order in case when there was an increase in a signal-to-noise ratio. Accuracy improvement due to increase of a diameter in a test-object is typical for large signal-to-noise ratios: 70 or more. The conducted investigations have made it possible to establish that the algorithm for determination of coordinates of the energy gravity center is more accurate in comparison with contour methods and requires less computing power (for the MatLab software package), which is related to discreteness while determining a contour.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.