Фотограмметрическое средство измерений объемов круглых лесоматериалов на автомобилях
Полезная модель относится к лесной промышленности, а именно к устройствам для определения объема круглых лесоматериалов и может быть использована на лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятиях для учета древесины. Задачей настоящего изобретения является разработка простого и надежного средства измерения объема круглых лесоматериалов на автомобилях без разгрузки включающего минимумом сложного электронного оборудования по точности практически не уступающего поштучным измерениям объема бревен. Результат достигается тем, что полезная модель содержит установленную над участком дороги стационарную каркасную конструкцию с закрепленными на ней опознаками (термин из Гост Р 51833-2001), пространственные координаты которых известны, внутрь которой свободно заезжает автомобиль с штабелями круглых лесоматериалов, одну цифровую мобильную фотокамеру, калибровочный тест, тест-объект и компьютер с установленным на нем программным обеспечением, включающим блок ввода и приема изображений, блок расчета внутренних параметров камеры, блок определения местоположения опознаков, блок ориентирования снимков относительно системы координат объекта съемки (внешняя калибровка), блок поиска сопряженных точек на изображениях, блок расчета объема штабеля, блок вывода и визуализации результатов, соединенные между собой определенным образом. Рисунков - 7
Полезная модель относится к лесной промышленности, а именно к устройствам для определения объема круглых лесоматериалов и может быть использована на лесозаготовительных и лесоперерабатывающих предприятиях для учета древесины.
Известно устройство измерения круглых лесоматериалов (RU, свидетельство 
14399 G01N 33/46, опубл. 20.07.2000), содержащее средство регистрации анализируемого объекта в виде одной и более идентичных фото- или видеокамер, ориентированных для съемки торцевых сторон бревен и средство управления и контроля, выполненное в виде рабочего места оператора, оснащенного компьютером с дисплеем сопряженным с средствами регистрации.
Однако это устройство имеет ряд существенных недостатков в использовании. Оно предполагает установку стационарных фото и видеокамер, на что указывает отсутствие в описании конструкции постоянных опознаков, необходимых для определения элементов внешнего ориентирования при перемещении камер. Стационарное расположение камер не позволяет в полной мере учесть индивидуальные особенности измеряемой партии лесоматериалов, поэтому наилучший результат достигается только для ограниченного количества случаев, под которые настроено оборудование. Кроме того, выбранный аналог не позволяет измерять длину бревен в штабеле. Длина штабеля считается фиксированной и вводится оператором.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого и надежного средства измерения объема круглых лесоматериалов на автомобилях без разгрузки включающего минимумом сложного электронного оборудования по точности практически не уступающего поштучным измерениям объема бревен.
Фотограмметрическое средство измерений объемов круглых лесоматериалов позволяет определить положение и объем каждого бревна в штабеле и рассчитать общий объем штабеля. В этом состоит технический результат, находящийся в причинно-следственной связи с существенными признаками изобретения.
Результат достигается тем, что полезная модель содержит установленную над участком проезжей части дороги стационарную каркасную конструкцию с закрепленными на ней опознаками, пространственные координаты которых известны, внутрь которой свободно заезжает автомобиль с штабелями круглых лесоматериалов, одну цифровую мобильную фотокамеру, калибровочный тест, тест-объект и компьютер с установленным на нем программным обеспечением, включающим блок ввода и приема изображений, блок расчета внутренних параметров камеры, блок определения местоположения опознаков, блок ориентирования снимков относительно системы координат объекта съемки (внешняя калибровка), блок поиска сопряженных точек на изображениях, блок расчета объема штабеля, блок вывода и визуализации результатов, соединенные между собой определенным образом.
Полезная модель поясняется чертежами.
Рис.1. Фотограмметрическое средство измерений объемов круглых лесоматериалов на автомобилях без разгрузки.
Рис.2. Металлическая конструкция с опознаками.
Рис.3 Опознак
Рис.4. Плоский тест
Рис.5. Тест-объект
Рис.6. Упрощенная блок-схема фотограмметрического средства измерений объемов круглых лесоматериалов на автомобилях без разгрузки.
Рис.7. Устройство в Клязьминском лесничестве Ковровского лесхоза Владимирской области (съемка в ночное время).
Фотограмметрическое средство измерений объемов круглых лесоматериалов (Рис.1), включает металлическую каркасную конструкцию (1),с закрепленными на ней опознаками, внутрь которой свободно заезжает автомобиль со штабелями круглых лесоматериалов, цифровую фотокамеру (2), плоский калибровочный тест для определения внутренних параметров камеры (3), тест-объект в виде параллелепипеда (4) и компьютер с дисплеем (5). Металлическая конструкция представляет собой сооружение над участком дороги, состоящую из соединенных между собой труб (рис.2), образующих цельную каркасную конструкцию внутрь которой свободно заезжает автомобиль со штабелями круглых лесоматериалов. Конструкция включает 6-12 П-образных модулей, высотой 5 и шириной 4 м, состоящих из двух боковых составных деталей и одной цельной поперечной перекладины. Модули устанавливаются на основания с обеих сторон дороги на расстоянии 1 м и крепятся друг к другу в трех местах с двух сторон соединительными трубами. Таким образом, общая длина конструкции составляет 5-11 м. Для придания большей устойчивости и повышения надежности рамы она крепится в четырех верхних углах тросами с талями к кольями, которые забиваются в землю.
Опознаки жестко с помощью болтовых соединений закрепляются на металлическом каркасе и представляют собой металлические плоские пластины прямоугольной формы. На плоскость пластины наносится номер опознака и под ним рисунок в виде прямоугольника разделенного на четыре равные прямоугольные области, окрашенные по диагонали в черный и белый цвета (рис.3). Плоскости опознаков ориентируются параллельно плоскости торцевых частей штабеля, параллельно плоскости съемки.
Для определения параметров оптической системы фотокамеры (внутренних параметров) используется плоский тест. Он представляет собой квадратную плоскую основу размером 30×30 см с нанесенным рисунком состоящим из черных и белых клеток в виде шахматной доски (рис.4).
Определение пространственного расположения опознаков производится с помощью тест-объекта изготовленного в виде параллелепипеда (прямоугольной призмы), на внешней поверхности которого нанесен рисунок в виде чередующихся черных и белых клеток (рис.5).
Система работает следующим образом:
Металлическая конструкция с опознаками устанавливается на специально подготовленной площадке над проезжей частью дороги. Размеры площадки должен обеспечивать свободный доступа к торцам штабеля при фотографировании с расстояния 5-8 м.
Производится внутренняя калибровка фотокамеры. В процессе калибровки определяются параметры необходимые для компенсации дисторсии оптической системы. Плоский тест снимается камерой под разными углами 5-10 раз так, чтобы он полностью помещался на кадре и при этом по возможности занимал всю его площадь. Полученные снимки загружаются в компьютер и обрабатываются с помощью специального программного модуля. Эта операция выполняется один раз. Полученные внутренние параметры камеры используются для всех последующих измерений.
Вычисляются координаты опорных точек (центр прямоугольника) на опознаках. Эта операция также выполняется один раз. Для этого используется тест-объект с известными трехмерными координатами точек, устанавливаемый внутри металлической конструкции в области размещения автомобиля с штабелями. Затем производится съемка металлической конструкции с тест-объектом. Снимки должны составлять пары, в перекрывающиеся области которых должен попасть тест-объект или большая его часть и каждый из опознаков хотя бы один раз. Полученные снимки загружаются в компьютер и обрабатываются парами с помощью специальной программы, позволяющей выставить точки на снимках, составляющих пары. При выставлении точек на тест-объекте достаточно щелкнуть мышью в ее окрестности. Программа, используя шахматную раскраску теста, автоматически вычислит координаты с субпиксельной точностью. Далее выполняется команда «Внешняя калибровка», тем самым, определяются внешние параметры снимков, после чего на парах снимков находятся опознаки с одинаковыми номерами и вычисляются их трехмерные координаты.
В металлическую конструкцию на место тест-объекта заезжает автомобиль с штабелями круглых лесоматериалов и производится съемка его торцевых частей. Снимки делаются парами, с различных позиций в пространстве. На каждом снимке должно быть видно не менее 12-ти опознаков расположенных не в одной плоскости. Причем все видимые опознаки не должны быть сосредоточены с одной стороны и должны как можно лучше покрывать пространство. Расстояние съемки зависит от разрядности снимков и от качества укладки штабеля. Чем больше разброс торцов относительно торцевой плоскости тем расстояние съемки должно быть больше. При увеличении расстояния съемки диспарантность (расстояние между точками съемки) необходимо увеличивать.
Полученные снимки загружаются в компьютер и обрабатываются с помощью специальной программы (рис.6). Программа использует параметры внешней калибровки для устранения искажений вносимых оптической системой камеры. Затем на парных снимках выставляются не менее 12 одноименных опознаков. Далее выполняется операция внешней калибровки для определения пространственного положения камеры в момент съемки. После этого на снимках в ручном или полуавтоматическом режиме выделяются торцы, и восстанавливается их пространственное расположение. В качестве математической модели торца используется эллипс. Программа обработки после выделения торцов с обоих сторон штабеля ищет между ними соответствие. При ровной укладке эта операция дает хорошие результаты и в этом случае для определения объема бревен могут использоваться поштучные методы.
Если соответствия между торцами не определились или определились не удовлетворительно то для вычисления объема применяется метод концевых сечений (метод Смалина) который не требует нахождения четкого соответствия между торцами с разных сторон штабеля.
Таким образом, предложенное устройство определения объема круглых лесоматериалов является простым, точным и надежным средством получения результатов, который можно достичь только с помощью трудоемкой операции поштучных измерений, без ее проведения.
Устройство в 2008 году было установлено в Клязьминском лесничестве Ковровского лесхоза Владимирской области (рис.7).
Средство измерений объемов круглых лесоматериалов, включающее цифровую камеру и компьютер с установленным на нем программным обеспечением, отличающееся тем, что средство установлено над проезжей частью участка дороги, содержит специальную каркасную конструкцию с закрепленными на ней опознаками, пространственные координаты которых известны, и внутрь которой свободно заезжает автомобиль с штабелями круглых лесоматериалов, калибровочный тест, тест-объект, при этом установленное на компьютере программное обеспечение включает блок ввода и приема изображений, блок расчета внутренних параметров камеры, блок определения местоположения опознаков, блок ориентирования снимков относительно системы координат объекта съемки (внешняя калибровка), блок поиска сопряженных точек на изображениях, блок расчета объема штабеля, блок вывода и визуализации результатов, соединенные между собой определенным образом.
