Thiết bị tập ngắm bắn bằng laser và xử lý ảnh phục vụ huấn luyện

Bé Khoa häc & c«ng nghÖ

viÖn øng dông c«ng nghÖ

b¸o c¸o tæng kÕt ®Ò tµi

thiÕt bÞ tËp ng¾m, b¾n b»ng

laser vµ xö lý ¶nh phôc vô huÊn luyÖn

Chñ nhiÖm ®Ò tµi:NguyÔn V¨n Long

Trung T©m TriÓn Khai C«ng NghÖ

5969

28/8/2006

Hµ néi, th¸ng 12 – 2005

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

Môc Lôc

Ch−¬ng 1: tæng quan vÒ xö lý tÝn hiÖu ¶nh sè ...............................................3

1.1 Më ®Çu .................................................................................................................. 3

1.2 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c m« h×nh ¶nh................................................................... 4

1.2.1 Camera......................................................................................................... 4

1.2.2 Mµu s¾c vµ biÓu diÔn ¶nh mµu................................................................... 17

1.3 Mét sè kh¸i niÖm c¬ b¶n..................................................................................... 21

1.4 PhÐp xö lý ®iÓm ¶nh dùa trªn b¶ng t×m kiÕm LUT. ............................................ 22

1.4.1 KÐo c¨ng ®é t−¬ng ph¶n ............................................................................ 23

1.4.2 Lµm b»ng l−îc ®å møc x¸m ...................................................................... 24

1.5 PhÐp xö lý vïng ¶nh ............................................................................................ 24

1.6 Xö lý h×nh th¸i häc ¶nh nhÞ ph©n ........................................................................ 26

1.6.1 PhÐp biÕt ®æi “tróng hoÆc tr−ît” ................................................................ 26

1.6.2 Ph−¬ng ph¸p lËp b¶ng t×m kiÕm ................................................................ 26

1.6.3 PhÐp d·n l©n cËn 8 ..................................................................................... 27

1.6.4 PhÐp co l©n cËn 8 ....................................................................................... 27

1.6.5 PhÐp lÊp ®Çy ®−êng chÐo ........................................................................... 28

1.6.6 PhÐp më ..................................................................................................... 28

1.6.7 PhÐp ®ãng .................................................................................................. 28

1.7 §Æc tÝnh ®−êng biªn ............................................................................................ 28

1.7.1 Ph¸t hiÖn biªn dùa vµo ®¹o hµm bËc nhÊt.................................................. 29

1.7.2 Ph¸t hiÖn biªn dùa vµo ®¹o hµm bËc hai.................................................... 31

1.7.3 Ph−¬ng ph¸p Canny ®Ó ph¸t hiÖn biªn....................................................... 32

1.8 §Æc tÝnh gãc ........................................................................................................ 33

1.9.HÖ thèng ph¸t hiÖn môc tiªu tù ®éng...........................................................35

1.9.1 Tæng quan vÒ hÖ thèng b¸m video tù ®éng................................................ 35

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

1.9.2 KiÕn tróc vßng b¸m ................................................................................... 37

1.9.3. −íc l−îng vÞ trÝ môc tiªu............................................................................ 39

1.9.4. Cöa môc tiªu vµ t×m breaklock.................................................................. 41

1.9.4.1 X©y dùng cöa............................................................................................. 42

1.9.4.2 Ph©n ®o¹n môc tiªu.................................................................................... 46

1.9.4.3 C¸c thuËt to¸n t×m breaklock ..................................................................... 47

1.9.5 Bï vßng b¸m vµ x¸c ®Þnh LOS ..................................................................... 49

1.9.5.1 X¸c ®Þnh LOS ............................................................................................ 49

1.9.5.2 Bï vßng b¸m.............................................................................................. 50

Ch−¬ng 2: thiÕt kÕ tæng thÓ vÒ hÖ thèng b¾n tËp trªn c¬ së xö

lý tÝn hiÖu vµ cã trî gióp cña m¹ch ®iÖn tö vµ quang häc........53

2.1. C¸c khèi chÝnh trong hÖ thèng tËp ng¾m b¾n..................................................... 53

2.2. M« t¶ tãm t¾t ho¹t ®éng cña hÖ thèng tËp ng¾m b¾n. ....................................... 55

Ch−¬ng 3: gi¶i bµi to¸n ph¸t hiÖn vÕt laser xuÊt hiÖn trªn hÖ bia

trong ph«ng nÒn cè ®Þnh....................................................................................56

3.1 Më ®Çu ................................................................................................................ 56

3.2 Ph¸t hiÖn vïng thay ®æi ...................................................................................... 57

3.3. C¸c ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng ............................................................................ 58

3.3.1 Ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng cè ®Þnh.............................................................. 58

3.3.2 Ph−¬ng ph¸p chän ng−ìng kÐp toµn côc cña trig¬ smitt ............................. 59

3.3.3 Ph©n ng−ìng thÝch nghi............................................................................... 62

3.3.4 Gi¶i ph¸p ng−ìng kÐp kÕt hîp víi ph©n ng−ìng thÝch nghi côc bé............. 63

3.3.5 Ph−¬ng ph¸p bã k trung b×nh cho vïng ®èi t−îng xuÊt hiÖn....................... 65

3.5 NhËn d¹ng vÕt laser theo mét sè ®Æc tÝnh ®Æc tr−ng............................................... 67

3.5.1 NhËn d¹ng theo c¸c ®Æc tÝnh h×nh häc......................................................... 67

3.5.2 NhËn d¹ng theo c¸c ®Æc tÝnh m«men.......................................................... 68

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

3.5.3 Chän l¹i ®èi t−îng duy nhÊt b»ng c¸c phÐp so s¸nh m«men...................... 69

Ch−¬ng 4 Thùc nghiÖm vÒ gi¶i ph¸p nhËn d¹ng bia, tÝnh ®iÓm vµ

b¸o ®iÓm......................................................................................................................... 75

4.1 Thùc nghiÖm vÒ x¸c ®Þnh kiÓu bia b»ng ph−¬ng ph¸p h×nh thÓ.............................. 78

4.2 Thùc nghiÖm vÒ ph−¬ng ph¸p tÝnh ®iÓm. ............................................................... 83

4.3 Sai sè vÒ hÖ thèng tÝnh ®iÓm. .................................................................................. 86

Ch−¬ng 5: X©y dùng hÖ qu¶n lý qu¸ tr×nh tËp luyÖn vµ gi¶i ph¸p

b¶o mËt .......................................................................................................................... 87

5.1.ThiÕt kÕ c¸c b¶ng d÷ liÖu............................................................................................ 89

5.2. ThiÕt kÕ giao diÖn ...................................................................................................... 91

5. 3.VÊn ®Ò b¶o vÖ b¶n quyÒn cho hÖ thèng phÇn mÒm................................................... 97

5.3.1. Giao tiÕp USB ................................................................................................... 97

5.3.2. HID (Human Interface Device)....................................................................... 103

5.3.3. HID lµ g× ? ....................................................................................................... 10

5.3.4. C¸c yÕu tè cÇn thiÕt ®Ó ph¸t triÓn thiÕt bÞ HID............................................... 103

5.3.5. Ph−¬ng thøc ho¹t ®éng cña HID .................................................................... 104

5.4. Gi¶i thuËt b¶o vÖ cho ch−¬ng tr×nh. ........................................................................ 106

Ch−¬ng 6: ThiÕt kÕ hÖ thèng c¬ khÝ, quang häc vµ ®iÖn tö phô

trî...................................................................................................................................108

6.1 ThiÕt kÕ m¹ch ®iÖn ph¸t laser vµ ph¸t tÝn hiÖu hång ngo¹i ®iÒu khiÓn cho khèi t¹o

gi¶ tiÕng sóng..................................................................................................................... 109

6.2 Lùa chän ®Çu ph¸t laser cho hÖ thèng b¾n tËp..................................................... 112

6.3 ThiÕt kÕ m¹ch kho¸ cøng cho phÇn mÒm xö lý ¶nh............................................. 113

Mét sè phô lôc vÒ phÇn mÒm kÌm theo

- Mét sè module m· nguån quan träng

- Lêi c¶m ¬n

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

Danh môc c¸c tõ viÕt t¾t

ADC Analog-Digital Converter

ATR Automatic Target Recognition

CCD Charge Couple Device

CCIR Consultative Committe on International Radio

CIE Commission International de L'Eclairage

CONDENSATION CONdition DENSity PropagATION

DSP Digital Signal Processing

EIA Electronics Industries Association

FIFO First In First Out

FOV Field Of View

FPS Frame per second

HIS Hue-Saturation-Intensity

HSV Hue-Saturation-Value

INS Inertial Navigation System

ISA Industry Standard Architecture

KLT Kanade-Lucas-Tomasi

LOS Line Of Sight

LUT Look-Up Table

PCI Peripheral Component Interconnection

PID Proportional Integral Derivative

PSoC Programmable System on Chip

RGB Red-Green-Blue

SNR Signal Noise Ratio

TV Television

VFW Video For Window

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

Lêi giíi thiÖu

Trªn thÕ giíi, c«ng nghÖ m« pháng cã vai trß chñ ®¹o trong ho¹t

®éng c«ng nghÖ cao, con ng−êi bay vµo vò trô an toµn nhê thö nghiÖm

trªn c¸c thiÕt bÞ m« pháng d−íi mÆt ®Êt. M« pháng cßn cho phÐp nghiªn

cøu, thö nghiÖm c¸c lo¹i vò khÝ mµ trong ®iÒu kiÖn thùc kh«ng ®−îc

phÐp thùc hiÖn do hoµn c¶nh chÝnh trÞ, x· héi, m«i tr−êng v…v… nh−

tiÕn hµnh næ h¹t nh©n …

Tõ khi cã cuéc c¸ch m¹ng c«ng nghÖ th«ng tin, c«ng nghÖ m«

pháng còng nhanh chãng ph¸t triÓn trong mäi lÜnh vùc kh¸c nhau c¶ vÒ

qu©n sù lÉn d©n sù. C«ng nghÖ m« pháng trong c«ng t¸c ®µo t¹o huÊn

luyÖn ®· trë thµnh xu h−íng chñ ®¹o cña c¸c n−íc.

Ngay nh÷ng c−êng quèc vÒ qu©n sù, viÖc øng dông c«ng nghÖ

m« pháng chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ phôc vô huÊn luyÖn chiÕn ®Êu lµ mét trong

nh÷ng gi¶i ph¸p tèi −u n©ng cao chÊt l−îng vµ hiÖu qu¶ huÊn luyÖn chiÕn

®Êu, mang l¹i nhiÒu lîi Ých trªn mäi ph−¬ng diÖn, lîi Ých lín nhÊt lµ tiÕt

kiÖm nguån tµi chÝnh dïng cho huÊn luyÖn.

Ngµy nay trªn thÕ giíi, c¸c thiÕt bÞ m« pháng dïng trong huÊn

luyÖn chiÕn ®Êu th−êng rÊt ®¾t, nhiÒu thiÕt bÞ chØ phï hîp chiÕn thuËt cña

tõng n−íc s¶n xuÊt, ®ång thêi nhiÒu thiÕt bÞ còng kh«ng cho phÐp chuyÓn

giao v× lý do qu©n sù …

Thùc tr¹ng trang thiÕt bÞ m« pháng dïng trong huÊn luyÖn

chiÕn ®Êu ë n−íc ta chiÕm tû lÖ rÊt thÊp . Nh÷ng thiÕt bÞ tr−íc kia ®−îc

viÖn trî, nhËp ngo¹i … nay ®Òu ®· l©u n¨m, th« s¬, l¹c hËu, háng, xuèng

cÊp … mÆc dï c¸c ®¬n vÞ cè g¾ng trong viÖc b¶o d−ìng, söa ch÷a còng

kh«ng ®¸p øng huÊn luyÖn v× sai sè, mÊt an toµn.

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

ChÝnh v× vËy, ngay tõ nh÷ng n¨m 1997, Bé Tæng tham m−u coi

gi¶i ph¸p nµy lµ nhiÖm vô mang tÝnh cÊp b¸ch, nhiÒu Dù ¸n vÒ trang thiÕt

bÞ m« pháng dïng trong huÊn luyÖn chiÕn ®Êu ®−îc thùc hiÖn víi nhiÒu

giai ®o¹n ®· cho nh÷ng kÕt qu¶ tiÒn kh¶ thi mang tÝnh thùc tiÔn ®· kh¼ng

®Þnh cÇn ®Çu t− trong nh÷ng n¨m tiÕp theo. Víi nh÷ng néi dung: HuÊn

luyÖn kh«ng qu©n, H¶i qu©n, T¨ng thiÕt gi¸p, C«ng binh, Th«ng tin, Ph¸o

binh, Ho¸ häc, Bé binh, ThÓ thao thµnh tÝch cao … ViÖc thùc hiÖn c¸c

Dù ¸n nµy ngoµi nh÷ng thiÕt bÞ nhËp ngo¹i còng ®· thu hót nhiÒu ®¬n vÞ

trong vµ ngoµi qu©n ®éi tham gia nghiªn cøu, chÕ thö, ®i ®Õn s¶n xuÊt

nhiÒu chñng lo¹i thiÕt bÞ míi, rÊt phï hîp yªu cÇu thùc tÕ huÊn luyÖn,

song cho ®Õn nay viÖc ®¸p øng yªu cÇu huÊn luyÖn cßn rÊt yÕu cÇn ®Çu t−

tiÕp.

§· tõ h¬n 10 n¨m nay, Côc Qu©n HuÊn - BTTM ®· phèi hîp

víi ViÖn øng dông c«ng nghÖ hîp t¸c chÆt chÏ vÒ KHKT, cho ra ®êi

nhiÒu thiÕt bÞ huÊn luyÖn cã hiÖu qu¶, ®é chÝnh x¸c cao, ®é bÒn, ®é æn

®Þnh, ®¬n gi¶n ho¸ c¸c thao t¸c cho ng−êi sö dông, phï hîp tÝnh c¬ ®éng,

s½n sµng chiÕn ®Êu vµ ®¸p øng yªu cÇu thùc tÕ huÊn luyÖn.

§· tæ chøc nhiÒu ®ît tËp huÊn toµn qu©n trªn thiÕt bÞ cña ViÖn øng dông

c«ng nghÖ cho nh÷ng kÕt qu¶ rÊt tèt.

§Ò tµi : “Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ thö hÖ tËp ng¾m, b¾n trªn bia

cã tÝnh ®iÓm b»ng ph−¬ng ph¸p laser vµ xö lý ¶nh phôc vô Quèc phßng,

an ninh “ thùc hiÖn tõ nh÷ng yªu cÇu trªn, nh»m ®−a ®éi ngò nghiªn cøu

®i s©u vµo lÜnh vùc c«ng nghÖ xö lý ¶nh ®ång thêi n©ng cao nhËn thøc

cña c¸c chiÕn sÜ víi khoa häc c«ng nghÖ, tÊt c¶ ®Òu h−íng vÒ môc tiªu

hiÖn ®¹i ho¸ Quèc phßng, an ninh.

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 3 -

Ch−¬ng 1: tæng quan vÒ xö lý tÝn hiÖu ¶nh sè

1.1 Më ®Çu

Bªn c¹nh ng«n ng÷, c¸c th«ng tin d−íi d¹ng h×nh ¶nh ®ãng mét vai trß rÊt

quan träng trong víi ®êi sèng con ng−êi. Nh−ng kh¶ n¨ng thu nhËn ¶nh cña m¾t

ng−êi rÊt h¹n chÕ, chØ nh×n ®−îc mét d¶i phæ ¸nh s¸ng rÊt hÑp (350nm-750nm), ®é

ph©n gi¶i kÐm… ChÝnh v× vËy, viÖc n©ng cao kh¶ n¨ng quan s¸t cña con ng−êi ®·

®−îc ®Æt vÊn ®Ò tõ rÊt sím. §ång thêi con ng−êi còng ®Æt vÊn ®Ò trang bÞ thÞ gi¸c

cho c¸c m¸y mãc phôc vô con ng−êi.

Víi sù ph¸t triÓn cña kü thuËt tÝnh to¸n sè, c¸c ¶nh thu nhËn ®−îc tõ c¸c thiÕt

bÞ t¹o ¶nh ®· ®−îc sè ho¸ vµ ®−îc xö lý trùc tiÕp b»ng m¸y tÝnh sè. Trong nh÷ng

n¨m gÇn ®©y, xö lý ¶nh sè ®· ®−îc ph¸t triÓn vµ trë thµnh mét lÜnh vùc khoa häc. Xö

lý ¶nh sè ®· n©ng cao chÊt l−îng cña ¶nh ®ång thêi ph©n tÝch vµ lý gi¶i nã phôc vô

c¸c môc ®Ých riªng biÖt. Trong ch−¬ng nµy ta sÏ giíi thiÖu c¸c m« h×nh t¹o ¶nh, biÓn

diÔn ¶nh vµ c¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ xö lý ¶nh sè. H×nh 1.1 chØ ra hÖ thèng thu nhËn

vµ xö lý ¶nh sè th«ng th−êng.

H×nh 1.1 HÖ thèng thu nhËn vµ xö lý ¶nh sè

§Ó më ®Çu ch−¬ng nµy, c¸c qu¸ tr×nh t¹o ¶nh, biÓu diÔn ¶nh vµ qu¸ tr×nh sè

ho¸ ¶nh sÏ ®−îc ®Ò cËp ®Õn mét c¸ch s¬ l−îc. PhÇn tiÕp theo sÏ tr×nh bµy v¾n t¾t mét

sè kh¸i niÖm c¬ b¶n cña thÞ gi¸c mµy tÝnh vµ xö lý ¶nh. PhÇn cßn l¹i cña ch−¬ng nµy

sÏ tr×nh bµy chi tiÕt h¬n vÒ viÖc xö lý n©ng cao chÊt l−îng ¶nh sè lèi vµo b»ng

ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh. Còng ®Ó t¹o tiÒn ®Ò cho phÇn tiÕp theo th× c¸c ®Æc tÝnh cña

¶nh còng ®−îc ®Ò cËp tíi.

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 4 -

1.2 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c m« h×nh ¶nh

1.2.1 Camera

Cã nhiÒu kiÓu thiÕt bÞ t¹o ¶nh, tõ m¾t ®éng vËt ®Õn nh÷ng èng kÝnh camera

ghi h×nh vµ radio. Chóng cã thÓ cã hoÆc kh«ng trang bÞ thÊu kÝnh. M« h×nh buång

tèi camera ®Çu tiªn ®−îc ph¸t minh vµo thÕ kû 16 kh«ng cã c¸c thÊu kÝnh, nh−ng

thay vµo ®ã lµ mét lç (pinhole) ®Ó héi tô c¸c tia s¸ng lªn trªn t−êng hoÆc tÊm mê.

C¸c lç dÇn dÇn ®−îc thay thÕ bëi c¸c thÊu kÝnh cµng ngµy cµng phøc t¹p.

Nãi chung camera th−êng cã hai bé phËn c¬ b¶n mét lµ hÖ thèng t¹o ¶nh vµ

hai lµ bÒ mÆt t¹o ¶nh cã chøa chÊt nh¹y c¶m quang. BÒ mÆt t¹o ¶nh cña mét camera

th«ng th−êng lµ h×nh ch÷ nhËt, nh−ng c¸c camera toµn c¶nh cã thÓ trang bÞ mÆt t¹o

¶nh h×nh trô ®Ó t¨ng tr−êng nh×n. Nh÷ng phÇn tö nh¹y t¹o ¶nh cã nh÷ng ®Æc tr−ng

kh¸c nhau. Chóng cã thÓ ghi nhËn mét ¶nh rêi r¹c hoÆc mét ¶nh liªn tôc vÒ mÆt

kh«ng gian. HÖ thèng t¹o ¶nh cã thÓ lµ lç hoÆc lµ hÖ thÊu kÝnh trong c¸c camera

hiÖn ®¹i. Ta sÏ kh¶o s¸t c¸c qu¸ tr×nh t¹o ¶nh vµ c¸c phÇn tõ nh¹y t¹o ¶nh d−íi ®©y.

PhÐp chiÕu phèi c¶nh

H·y t−ëng t−îng ta cÇm mét c¸i hép, ch©m mét lç nhá vµo mét trong sè c¸c

mÆt cña hép b»ng mét ®inh ghim, vµ thay thÕ mÆt ®èi diÖn b»ng mét tÊm mê. NÕu ta

®Æt nguån s¸ng nµo ®ã (mét ngän nÕn ch¼ng h¹n), ta sÏ nh×n thÊy h×nh ngän nÕn lén

ng−îc xuÊt hiÖn trªn tÊm mê (h×nh 1.2a).

H×nh 1.2 M« h×nh t¹o ¶nh qua lç (a) vµ minh ho¹ c¸ch tÝnh ph−¬ng tr×nh phèi c¶nh (b)

¶nh nµy ®−îc h×nh thµnh bëi nh÷ng tia s¸ng ph¸t ra tõ c¶nh gÇn víi mÆt hép.

NÕu lç ®−îc gi¶m nhá tíi mét ®iÓm (dÜ nhiªn kh«ng thÓ ®¹t ®−îc vÒ mÆt vËt lý), th×

chÝnh x¸c mét tia s¸ng sÏ ®i qua xuyªn qua mçi ®iÓm trong mÆt ph¼ng tÊm mê (mÆt

ph¼ng ¶nh), lç vµ mét ®iÓm c¶nh t−¬ng øng nµo ®ã.

(a) (b)

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 5 -

Trong thùc tÕ, lç cã mét kÝch th−íc nµo ®ã (mÆc dï nhá), vµ mçi ®iÓm trong

mÆt ph¼ng ¶nh tËp hîp ¸nh s¸ng tõ mét h×nh nãn cña nh÷ng tia s¸ng tr−¬ng mét gãc

®Æc h÷u h¹n, v× vËy m« h×nh ®−îc lý t−ëng ho¸ vµ ®¬n gi¶n v« cïng nµy cña t¹o ¶nh

h×nh häc cã Ýt hiÖu qu¶. Tuy vËy, m« h×nh chiÕu phèi c¶nh lç (còng ®−îc gäi lµ phèi

c¶nh träng t©m), ®Çu tiªn ®−îc ®Ò xuÊt bëi Brunelleschi håi ®Çu thÕ kû 15, rÊt tiÖn

lîi vÒ to¸n häc. BÊt chÊp sù ®¬n gi¶n, nã th−êng cung cÊp mét sù xÊp xØ chÊp nhËn

®−îc cña qu¸ tr×nh t¹o ¶nh. §«i khi ®Ó dÔ tÝnh ta thay ¶nh thËt b»ng mét ¶nh ¶o ®èi

xøng víi ¶nh thËt qua lç (h×nh 1.2a).

B»ng c¸c phÐp tÝnh h×nh häc ®¬n gi¶n, ta dÔ dµng thu ®−îc c¸c ph−¬ng tr×nh

cho phÐp chiÕu phèi c¶nh. (h×nh 1.2b). Trong h×nh ®iÓm C’ lµ giao ®iÓm cña trôc

quang vµ ∏’ ®−îc gäi lµ t©m ¶nh. §iÓm nµy cã thÓ ®−îc sö dông nh− lµ gèc to¹ ®é

¶nh vµ lµ ®iÓm t©m ®Ó tÝnh trong c¸c thñ tôc chuÈn ho¸ (calibration) camera.

LÊy ®iÓm P lµ mét ®iÓm thuéc quang c¶nh cã to¹ ®é (x,y,z) vµ P’ lµ ¶nh cña

P cã to¹ ®é lµ (x’,y’,z’). Do P’ n»m trªn mÆt ph¼ng ¶nh ta cã z’=f’. Tõ ba ®iÓm P, O,

vµ P’ cïng n»m trong mét ®−êng th¼ng, ta cã OP'= λOP, do vËy

VËy

⎪

⎪

⎩

⎪

⎪

⎨

⎧

=

=

z

y y f

z

x

x f

' '

' '

(1.1)

PhÐp chiÕu Affine

Nh− ®· nãi trong phÇn trªn, phèi c¶nh lç chØ lµ mét xÊp xØ cña qu¸ tr×nh t¹o

¶nh h×nh häc. PhÇn nµy m« t¶ mét líp xÊp xØ th« h¬n ®−îc gäi lµ m« h×nh chiÕu

affine, nã còng ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp. Hai phÐp chiÕu affine cã thÓ

kÓ ra lµ phÐp chiÕu phèi c¶nh yÕu vµ phÐp chiÕu trùc giao. PhÐp chiÕu phèi c¶nh yÕu

lµ mét m« h×nh cã thÓ chÊp nhËn ®−îc trong nhiÒu ®iÒu kiÖn t¹o ¶nh, nh−ng phÐp

chiÕu trùc giao thuÇn tuý th−êng kh«ng thùc tÕ. Ta sÏ kh«ng m« t¶ chi tiÕt mµ kÓ tªn

chóng v× chóng chØ cã ý nghÜa mang tÝnh lÞch sö.

C¸c camera cã thÊu kÝnh

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 6 -

§a sè c¸c camera ®−îc trang bÞ hÖ thÊu kÝnh. Cã hai lý do chÝnh lµ: Tr−íc hÕt

lµ ®Ó tËp hîp ¸nh s¸ng tõ mét tia s¸ng ®¬n lÎ sÏ ®Õn mçi ®iÓm kh¸c nhau trong mÆt

ph¼ng ¶nh d−íi phÐp chiÕu lç lý t−ëng. Thùc tÕ c¸c lç tÊt nhiªn cã mét kÝch th−íc

h÷u h¹n, v× vËy mçi ®iÓm trong mÆt ph¼ng ¶nh ®−îc chiÕu bëi mét h×nh nãn cña

nh÷ng tia s¸ng tr−¬ng mét gãc ®Æc h÷u h¹n. Lç lín h¬n h×nh nãn réng h¬n vµ ¶nh

s¸ng h¬n, nh−ng mét pinhole lín sÏ cho ¶nh kh«ng râ nÐt. Lµm co lç t¹o ra ¶nh s¾c

nÐt, nh−ng lµm gi¶m sè l−îng ¸nh s¸ng ®Õn mÆt ph¼ng ¶nh, vµ cã thÓ ®−a ®Õn hiÖu

øng nhiÔu x¹. Lý do chÝnh thø hai lµ khi sö dông mét thÊu kÝnh sÏ gi÷ ¶nh s¾c nÐt

trong khi tËp hîp ®−îc ¸nh s¸ng tõ mét vïng lín.

Bá qua sù nhiÔu x¹, giao thoa vµ c¸c hiÖn t−îng quang häc vËt lý kh¸c, ho¹t

®éng cña thÊu kÝnh tu©n theo c¸c ®Þnh luËt quang h×nh.

Ta minh ho¹ qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña ®iÓm P qua thÊu kÝnh máng trong h×nh

1.3a. Ta cã ®−îc ph−¬ng tr×nh 1.2 ®Ó tÝnh vÞ trÝ ¶nh P’

z z f

1 1

'

1 − = (1.2)

ë ®ã

2( −1) = n

R f lµ tiªu cù cña thÊu kÝnh.

H×nh 1.3 Qu¸ tr×nh t¹o ¶nh qua thÊu kÝnh máng (a) vµ thÊu kÝnh dÇy (b)

Ta thÊy r»ng ph−¬ng tr×nh thÓ hiÖn qua hÖ vÞ trÝ cña P vµ P’ lµ chÝnh x¸c

gièng nh− phÐp chiÕu phèi c¶nh lç nÕu ta lÊy z’=f’. Tõ P vµ P’ n»m trªn ®−êng

th¼ng xuyªn qua t©m cña thÊu kÝnh vµ c¸c ®iÓm ë vÞ trÝ –z chØ héi tô s¾c nÐn khi mÆt

ph¼ng ¶nh ë vÝ trÝ z’. Khi z → −∞ , lµ c¸c vËt nh− c¸c v× sao, sÏ ®−îc ¶nh t¹i vÞ trÝ

(a) (b)

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 7 -

c¸ch t©m thÊu kÝnh mét kho¶ng lµ f. Hai ®iÓm F vµ F’ t¹i vÞ trÝ c¸ch t©m thÊu kÝnh

mét kho¶ng f trªn quang trôc ®−îc gäi lµ hai tiªu ®iÓm cña thÊu kÝnh.

Trong thùc tÕ khi ¸nh s¸ng ®Õn thÊu kÝnh bÞ khóc x¹ trªn biªn giíi ph¶i sÏ

kh«ng lËp tøc khóc x¹ tiÕp trªn biªn giíi tr¸i mµ gi÷a hai qu¸ tr×nh khóc x¹ trªn nã

ph¶i truyÒn qua m«i tr−êng vËt chÊt chÕ t¹o thÊu kÝnh, do ®ã qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña

c¸c thÊu kÝnh thùc sÏ kh¸c. M« h×nh hiÖn thùc h¬n cña hÖ quang häc ®¬n gi¶n lµ

thÊu kÝnh dÇy. C¸c ph−¬ng tr×nh m« t¶ qu¸ tr×nh t¹o ¶nh cña nã dÔ dµng ®¹t ®−îc tõ

ph−¬ng tr×nh khóc x¹ vµ chóng còng gièng nh− c¸c ph−¬ng tr×nh phèi c¶nh lç vµ

phÐp chiÕu thÊu kÝnh máng ngo¹i trõ mét sai kh¸c (h×nh 1.3b). NÕu H vµ H’ lµ hai

®iÓm chÝnh cña thÊu kÝnh, th× ph−¬ng tr×nh 1.2 gi÷ nguyªn khi –z (t−¬ng øng lµ z’) lµ

kho¶ng c¸ch gi÷a ®iÓm P (t−¬ng øng lµ P’) vµ mÆt ph¼ng chøa ®iÓm H (t−¬ng øng lµ

H’) trùc giao víi trôc quang.

Trong thùc tÕ, c¸c vËt n»m trong mét ph¹m vi kho¶ng c¸ch héi tô nhá (®−îc

gäi lµ chiÒu s©u cña tr−êng hoÆc chiÒu s©u tiªu ®iÓm). ChiÒu s©u tr−êng t¨ng theo sè

f cña thÊu kÝnh (sè f lµ tû lÖ gi÷a tiªu cù cña thÊu kÝnh vµ ®−êng kÝnh nã). Tr−êng

nh×n cña mét camera lµ phÇn cña kh«ng gian c¶nh mµ thËt sù chiÕu lªn trªn phim

cña camera. Nã kh«ng ®−îc ®Þnh nghÜa chØ bëi tiªu cù, mµ cßn phô thuéc vµo vïng

cã hiÖu qu¶ cña vâng m¹c (hoÆc vïng phim cã thÓ ®−îc lé s¸ng trong mét camera

chôp ¶nh, hoÆc vïng nh¹y CCD trong mét camera sè h×nh 1.4).

H×nh 1.4 Minh ho¹ tr−êng nh×n cña camera

C¸c thÊu kÝnh ®¬n bÞ mét sè quang sai. T¹i sao vËy? Ta h·y nhí l¹i trong

ph−¬ng tr×nh quang h×nh chØ lµ xÊp xØ, cã hiÖu lùc khi gãc α nhá sao cho sinα ≈ α.

Cho nh−ng gãc lín h¬n, ta sö dông khai triÓn Taylor bËc 3 thu ®−îc ph−¬ng tr×nh

cËn trôc tinh vi h¬n.

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 8 -

C¸c hiÖn t−îng t−¬ng tù x¶y ra víi thÊu kÝnh vµ lµ hai lo¹i quang sai cÇu

(h×nh 1.5a): XÐt ®iÓm P n»m trªn trôc quang vµ ¶nh cËn trôc P’ cña nã. Kho¶ng

c¸ch gi÷a ®iÓm P’ vµ giao ®iÓm cña trôc quang víi víi mét tia xuÊt ph¸t tõ P vµ bÞ

khóc x¹ bëi thÊu kÝnh ®−îc gäi lµ quang sai cÇu däc cña tia. NÕu mÆt ph¼ng ¶nh ∏’

®−îc dùng trªn P’, tia khóc x¹ sÏ c¾t mÆt ph¼ng nµy t¹i ®iÓm c¸ch trôc quang mét

kho¶ng ®−îc gäi lµ quang sai cÇu ngang cña tia nµy. §ång thêi, tÊt c¶ c¸c tia xuyªn

qua P vµ bÞ khóc x¹ bëi thÊu kÝnh t¹o thµnh mét h×nh trßn rèi lo¹n. KÝch th−íc cña

h×nh trßn ®ã thay ®æi khi ta di chuyÓn ∏’ däc theo trôc quang. H×nh trßn cã ®−êng

kÝnh nhá nhÊt ®−îc gäi lµ h×nh trßn rèi lo¹n tèi thiÓu, vµ nãi chung lµ kh«ng t¹i vÞ

trÝ ®iÓm P’.

Bªn c¹nh quang sai cÇu, cã 4 lo¹i quang sai c¬ b¶n kh¸c do sù kh¸c nhau

gi÷a quang häc bËc nhÊt vµ bËc 3 lµ: coma, lo¹n thÞ, cong tr−êng vµ mÐo. C¸c ®Þnh

nghÜa chÝnh x¸c c¸c kh¸i niÖm nµy v−ît qu¸ khu«n khæ luËn v¨n nay. Nãi chung,

gièng nh− quang sai cÇu nã lµm gi¶m chÊt l−îng ¶nh. Sù mÐo lµm thay ®æi h×nh

d¹ng cña ¶nh nh− trong h×nh 1.5b. ¶nh h−ëng nµy phï hîp víi thùc tÕ r»ng c¸c

vïng kh¸c nhau cña thÊu kÝnh cã tiªu cù kh¸c nhau nhá. Quang sai ph¶i ®−îc kÓ ®Õn

n÷a lµ sù ®¬n s¾c (chóng phô thuéc vµo ®¸p øng cña thÊu kÝnh víi c¸c b−íc sãng

thay ®æi). Tuy nhiªn, chiÕt suÊt cña m«i tr−êng trong suèt phô thuéc vµo b−íc sãng

(h×nh 1.5c) vµ nã kÐo theo ph−¬ng tr×nh thÊu kÝnh máng (1.2) lµ tiªu cù còng phô

thuéc vµo b−íc sãng. §iÒu nµy sinh ra hiÖn t−îng s¾c sai: c¸c tia khóc x¹ t−¬ng øng

víi c¸c b−íc sãng kh¸c nhau sÏ c¾t trôc quang ë c¸c ®iÓm kh¸c nhau (s¾c sai däc)

vµ t¹o ra c¸c ®−êng trßn rèi lo¹n kh¸c nhau trong mÆt ph¼ng ¶nh nh− nhau (s¾c sai

ngang).

(a) (b) (c)

H×nh 1.5 C¸c hiÖn t−îng g©y ra quang sai

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 9 -

C¸c quang sai cã thÓ gi¶m thiÓu b»ng c¸ch s¾p xÕp mét vµi thÊu kÝnh ®¬n víi

h×nh d¹ng vµ chiÕt suÊt ®−îc chän tèt vµ ®−îc ph©n t¸ch b»ng kho¶ng chÆn thÝch

hîp. C¸c thÊu kÝnh phøc t¹p vÉn cã thÓ ®−îc lµm theo c¸c ph−¬ng tr×nh thÊu kÝnh

dµy. Chóng l¹i bÞ thªm khuyÕt tËt liªn quan ®Õn thÞ gi¸c m¸y: Chïm s¸ng ph¸t ra tõ

c¸c ®iÓm vËt n»m ngoµi trôc bÞ chÆn mét phÇn bëi c¸c kÏ hë gi÷a thÊu kÝnh ®Ó h¹n

chÕ quang sai (h×nh 1.6).

H×nh 1.6 HiÖn t−îng vignetting

HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ lµm mê nÐt ¶nh (vignetting), sinh ra do sù chiÕu s¸ng

gi¶m t¹i mÐp ¶nh. HiÖn t−îng nµy cã thÓ n¶y sinh vÊn ®Ò cho c¸c ch−¬ng tr×nh ph©n

tÝch ¶nh tù ®éng, nh−ng nã kh«ng quan träng trong chôp ¶nh nhê sù trî gióp cña

m¾t ng−êi kh«ng c¶m gi¸c râ rµng c¸c ®é dèc chiÕu s¸ng mÞn.

M¾t ng−êi

ë ®©y ta m« t¶ v¾n t¾t vÒ cÊu tróc gi¶i phÉu cña m¾t. H×nh 1.7 (tr¸i) lµ mét

ph¸c ho¹ mÆt ®−îc c¾t th¼ng ®øng cña nh·n cÇu bao gåm c¸c thµnh phÇn chÝnh cña

m¾t: mèng m¾t vµ con ng−¬i sÏ ®iÒu khiÓn l−îng ¸nh s¸ng xuyªn vµo nh·n cÇu; gi¸c

m¹c vµ thÊu kÝnh cïng víi nhau lµm khóc x¹ ¸nh s¸ng ®Ó t¹o ¶nh lªn vâng m¹c vµ

cuèi cïng lµ vâng m¹c ë ®ã ¶nh ®−îc t¹o thµnh.

MÆc dï nã cã d¹ng h×nh cÇu, nh·n cÇu vÒ chøc n¨ng gièng víi mét camera

víi tr−êng nh×n (viÕt t¾t lµ FOV-Field Of View) bao phñ mét vïng 1600

(réng)×135

(cao). Gièng bÊt kú hÖ thèng quang häc kh¸c, nã bÞ quang sai h×nh häc vµ s¾c sai.

Mét vµi m« h×nh m¾t ®−îc ®Ò x−íng tu©n theo luËt quang h×nh bËc nhÊt, h×nh

1.7 (ph¶i) minh ho¹ mét trong sè ®ã, m« h×nh m¾t s¬ l−îc cña Helmoltz. ChØ cã ba

mÆt khóc x¹ lµ gi¸c m¹c rÊt máng vµ mét thÊu kÝnh ®ång nhÊt. C¸c h»ng sè cho trªn

Nghiªn cøu, thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ tËp ng¾m b¾n b»ng laser vµ xö lý ¶nh

- 10 -

h×nh lµ trong tr−êng hîp m¾t nh×n ë v« cïng (m¾t kh«ng ®iÒu tiÕt). TÊt nhiªn m«

h×nh nµy chØ lµ xÊp xØ cña c¸c ®Æc tÝnh quang häc thùc cña m¾t.

H×nh 1.7 CÊu t¹o cña m¾t (tr¸i) vµ m« h×nh m¾t Helmoltz (ph¶i)

Ta h·y m« t¶ s©u h¬n vÒ c¸c thµnh phÇn cña m¾t. Gi¸c m¹c lµ mét cöa sæ

khóc x¹ trong suèt vµ cã ®é cong cao. ¸nh s¸ng tíi m¾t sÏ xuyªn qua nã tr−íc khÝ bÞ

ng¨n chÆn mét phÇn bëi mèng m¾t ®ôc. §ång tö m¾t lµ mét lç hæng ë t©m cña mèng

m¾t, ®−êng kÝnh cña nã thay ®æi kho¶ng tõ 1 tíi 8 mm t−¬ng øng víi sù thay ®æi cña

®é chiÕu s¸ng, nã d·n ra khi ¸nh s¸ng thÊp ®Ó lµm t¨ng thªm n¨ng l−îng ®Õn vâng

m¹c vµ co l¹i trong ®iÒu kiÖn chiÕu s¸ng b×nh th−êng ®Ó giíi h¹n sù mê ¶nh do

quang sai cÇu cña m¾t. Kh¶ n¨ng khóc x¹ (nghÞch ®¶o cña tiªu cù) cña m¾t, phÇn

lín lµ do hiÖu øng khóc x¹ cña mÆt giao tiÕp kh«ng khÝ – gi¸c m¹c, vµ ®−îc hiÖu

chØnh bëi sù biÕn d¹ng cña thuû tinh thÓ sao cho vËt héi tô s¾c nÐt. Trong nh÷ng

ng−êi khoÎ m¹nh, nã thay ®æi gi÷a 60 (kh«ng ®iÒu tiÕt) vµ 68 diopter (1 diopter = 1

m-1) t−¬ng øng víi d¶i tiªu cù gi÷a 15 vµ 17 mm.

H×nh 1.8 Ph©n bè cña c¸c tÕ bµo h×nh nãn vµ h×nh que trªn vâng m¹c

Góc cân đối với điểm vàng (deg)

Số tế bào cảm thụ

Hình nón

Đ Hình que iểm mù