Математична модель похибок вимірювання міжкадрового зсуву вимірювальної мітки на об’єкті спостереження по відео з web-камери

Abstract

У статті описано та досліджено математичну модель похибок для оцінювання потенційної точності вимірювання зміни просторового положення вимірювальної мітки об’єкта автоматичного управління по сусідніх кадрах відеопотоку з відеокамери, що спостерігає мітку на об’єкті. Розглядається випадок, коли web-відеокамера встановлена на відстані порядку десятків сантиметрів від вимірювальної мітки. Міткою є лімб поворотного механізму наземної антенної системи космічної радіолінії зв’язку X-діапазону. За змінами положення зображення на сусідніх кадрах відеопотоку вимірюється зсув шкали лімба. Зсув розраховується шляхом обчислення положення максимуму взаємної кореляційної функції сигналу відповідних рядків сусідніх кадрів. Зсув шкали перераховується у зміну кутового положення антени. Наведено математичні залежності для оцінювання потенційно досяжної точності вимірювання зміни положення вимірювальної мітки залежності від умов спостереження. Розрахунок для дешевої web-відеокамери необхідних даних про максимально припустиму освітленість елементів матриці та СКВ шуму у напрузі сигналу, які не зазначаються у документах виробника, проведений за оригінальною методикою. У статті наведено міркування щодо використання міжрядкового накопичення відеосигналу від мітки, що являє собою вертикальні риски лімба. Зроблений висновок, що таке накопичення за умови гарного штучного освітлення не є доцільним з причини зростання математичного сподівання флуктуаційних шумів матриці. Наводяться приклади розрахунків для відеокамери, що спостерігає азимутальний лімб опорно-поворотного пристрою антенної системи наземної станції космічної радіолінії зв’язку. Для розглянутої конструкції безконтактного датчика на основі дешевої web-відеокамери розраховано оцінку потенційної похибки повороту антени, що складає трохи більше 0,2 кутових секунд. Вплив на оптичний сигнал шару повітря між камерою та міткою, вібрації, похибки механізму повороту та спектральні розбіжності відеосигналу не враховувалися. Стаття може стати в нагоді конструкторам оптико-електронних приладів для дистанційного безконтактного вимірювання просторового положення об’єктів.