Патент на изобретение №2204149
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КАРТОГРАФИИ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к способу и устройству для картографии источников излучения для обеспечения определения мест расположения таких источников в трехмерной окружающей среде, которая может быть как известной, так и неизвестной. Способ включает первую и вторую съемки видимого изображения окружающей среды и изображения источников под различными углами, создание трехмерной видимой модели окружающей среды. Модель образуют посредством поиска и идентификации аналогичных элементов видимых изображений и посредством вычислений местоположения аналогичных элементов видимых изображений. Также способ включает определение линий проецирования источников и вычисление положений точек пересечения линий проецирования в модели окружающей среды, которые являются местами расположения источников. Устройство для картографии источников излучения содержит средство для съемки изображений излучения, пару средств для съемки видимых изображений окружающей среды источников излучения и средства для фотограмметрии. Средства для съемки видимых изображений и излучения установлены на одной общей жесткой недеформируемой, но регулируемой опоре со средством для съемки изображений излучений. При этом они ориентированы так, что имеют в совокупности полностью или частично их общее визируемое поле. Технический результат состоит в обеспечении возможности полностью и точно определять места расположения источников радиоактивных и иного излучений в трехмерном пространстве. 2 с. и 10 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл. Изобретение относится к способу и к устройству для картографии источников излучения, для обеспечения определения мест расположения таких источников в трехмерной окружающей среде, которая может быть как известной, так и неизвестной. До настоящего момента использовался принцип обнаружения источников излучения, например утечки радиоактивных веществ, посредством сравнения изображения этих источников, снимок которых выполнен с помощью специального прибора, и визуального изображения или видимого изображения окружающей среды, выполненного обычной камерой, чувствительной к свету. Пользователь может опытным путем определить на визуальном изображении места расположения радиоактивных источников: согласно простейшему варианту выполнения способа распознают элементы окружающей среды, воссозданные на визуальном изображении, которые соответствуют местам изображения источников, благодаря чему источник и регистрируется. Однако при этом определение места расположения источников является не очень точным, и поэтому необходимо использовать сведения и знания пользователя об окружающей среде: возможно заранее иметь представление о тех областях окружающей среды, где может происходить утечка, и легко определить их, когда она появляется. Хотя в некоторых случаях такой метод является достаточным, однако, он не пригоден для автоматической обработки, в частности в случае, если ремонтную работу должен выполнять робот, который точно должен знать место расположения источника в трехмерном пространстве для того, чтобы он мог туда переместиться. Согласно более усовершенствованному способу, который описан в патенте Франции, 2652909, используют комбинированную камеру с затворами и средства преобразования радиоактивного излучения, которые позволяют зарегистрировать поочередно видимое изображение и изображение радиоактивного излучения окружающей среды. Оба изображения передаются на автоматические средства обработки, которые накладывают их друг на друга, что обеспечивает определение без ошибки места расположения источников в поле объектива камеры. Однако ввиду того, что эта работа осуществляется на двухмерном изображении, то вышеупомянутая проблема не решена: система автоматической обработки не может определить расстояние до источника, особенно, если источник находится в месте расположения элемента окружающей среды, на которую он накладывается, или если он расположен перед или за линией наводки камеры. Известны способы томографии, которые позволяют определить места расположения радиоактивных источников в трехмерном пространстве окружающей среды. Камеры (или же, более обобщенно, средства для съемки двухмерных изображений) перемещаются вокруг объекта, а считанная с изображений информация суммируется для того, чтобы определить места расположения источников. Вследствие этого, возникает необходимость инвертировать прямо или косвенно систему уравнений, определяющих тот факт, что излучение, соответствующее каждой точке изображения, является суммой излучений вдоль линии проецирования или наводки камеры, которая доходит до этой точки. Однако необходимо знать расположение камеры при каждой съемке изображения, что не всегда можно осуществить в упомянутых здесь условиях, так как роботы не всегда обеспечивают достаточную точность, а также не снабжены устройствами кодирования положения, которые могли бы указать их местоположение. Наконец, следует упомянуть международную заявку на патент WO 96/20421, которая описывает двойной способ томографии и наложения двух трехмерных изображений, полученных таким способом, одно из которых показывает видимые детали рассматриваемого предмета, а другое представляет вид предмета, полученного посредством рентгеновских или других лучей. Однако оба изображения вычисляются одним и тем же способом и отдельно (за исключением выполнения поправки влияний искажения и т.д., произведенных каждым из съемочных средств); они приведены в отношение равенства и имеют одинаковое значение. Итак, этот патент не обеспечивает возможность использования видимого изображения окружающей среды для того, чтобы помочь определить места расположения точечных источников излучения в этой окружающей среде, без того, чтобы не использовать для этого условия получения томографических изображений. Таким образом, целью изобретения является обеспечение возможности полностью и точно определять места расположения источников излучения, источников радиоактивного излучения и других источников в трехмерной окружающей среде. Основное решение изобретения заключается в том, что используют трехмерную модель окружающей среды, которая была выполнена на основании съемок видимых изображений, на которую накладывают источники, отмеченные на других изображениях, которые взаимно согласуют с видимыми изображениями. Следовательно, модель предназначена не только для того, чтобы обеспечить получение графического изображения мест расположения источников в окружающей среде, но, в основном, для того, чтобы обеспечивать возможность определения этих мест расположения. Согласно изобретению способ трехмерной картографии источников излучения в окружающей среде включает первую съемку видимого изображения окружающей среды и первую съемку изображения источников, вторую съемку видимого изображения окружающей среды и вторую съемку изображения источников, при этом съемку видимых изображений осуществляют под различными углами и съемку изображений источников осуществляют также под различными углами, затем создание трехмерной видимой модели окружающей среды, при этом модель образуют посредством поиска и идентификации аналогичных элементов видимых изображений, затем посредством вычислений местоположения аналогичных элементов видимых изображений, кроме того, способ включает определение мест расположения линий проецирования источников в модели окружающей среды, причем это определение мест расположения осуществляют с помощью соотношений между положениями и направлениями средств, посредством которых видимые изображения и изображения источников были сняты, и, при этом, линии проецирования ориентируются в соответствующих предварительно известных направлениях наводки средства съемки изображений источников, которые проходят через изображения источников; и вычисления положений точек пересечения линий проецирования в модели окружающей среды, причем эти точки пересечения являются местами расположения источников. В предпочтительных вариантах осуществления способ включает: измерение характеризуемого расстоянием и направлением перемещения средства съемки источников между положениями съемки первого и второго изображений источников; измерение характеризуемой расстоянием и направлением разности положений средств съемки видимых изображений между положениями съемки первого и второго видимых изображений. Изображения источников можно накладывать на видимые изображения окружающей среды, съемки которых были выполнены тем же самым средством съемки изображений. Линии проецирования, проходящие от источников ко второму изображению источников, располагают на упомянутом видимом изображении, на которое можно наложить второе изображение источников, затем определяют в трехмерной модели после определения аналогичных элементов модели и упомянутого видимого изображения. Способ также включает образование второй трехмерной картографии окружающей среды посредством сравнения третьего и четвертого видимого изображения окружающей среды, при этом линии проецирования, проходящие от источников ко второму изображению источников, располагают на упомянутой второй модели, затем на первой модели после предварительного определения аналогичных элементов моделей. Способ может включать этап предварительной калибровки, который включает, в частности, исправление вероятного искажения изображений путем создания таблицы соответствия между точками изображений и направлениями визирования на известный объект при определенном положении средств съемки изображений, а также может включать предварительный этап калибровки, заключающийся в том, что осуществляют вычисление места расположения оптических центров средств съемки изображений относительно известного объекта и вычисление направления центральных осей визирования устройств съемки изображений. Устройство для реализации способа картографии источников излучения содержит средство для съемки изображений излучения, пару средств для съемки видимых изображений окружающей среды источников излучения, при этом средства для съемки видимых изображений и излучения ориентированы в таких направлениях, что они имеют, в совокупности, полностью или частично их общее визируемое поле и установлены на одной общей жесткой недеформируемой, но регулируемой опоре со средством для съемки изображений излучения, а также средства для фотограмметрии для формирования видимой трехмерной модели окружающей среды на основании видимых изображений и для определения местоположения трехмерной модели источников излучения в видимой модели, коррелируя изображения излучения с видимыми изображениями. Устройство дополнительно содержит регулирующие средства для регулирования положения средств для съемки изображения на общей опоре. Регулирующие средства содержат шарниры средств для съемки видимых изображений для регулирования угла сходимости упомянутых устройств для съемки видимых изображений. Предпочтительно, устройство содержит мишень для калибровки. Ниже приводится описание конкретных вариантов выполнения изобретения, приведенных в качестве неограничивающих примеров, используемого для определения источников гамма-излучения, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: – фигура 1 изображает общий вид механических средств устройства; – фигуры 2 и 3 – две детали устройства, – фигура 4 иллюстрирует способ картографии, – фигура 5 – формирование изображений, – фигура 6 изображает схему калибровки, – фигура 7 – геометрическое определение некоторых параметров устройства, – фигуры 8 и 9 – две блок-схемы, излагающие процессы калибровки и обслуживания устройства, – фигура 10 – схему средств, в частности информационных, обслуживающих устройство. Теперь перейдем к рассмотрению фигур. Первая фигура изображает общую конструкцию устройства, выполненную согласно изобретению. Корпус 1 содержит центральный кожух 2, от которого отходят два боковых рычага 3, ориентированные в противоположных направлениях, и верхний выступ 4. Центральный кожух 2 содержит выемку, ориентированную в направлении к передней части и предназначенную для гнезда для установки гамма-камеры 6. Видеокамеры 7 установлены на концах боковых рычагов 3. Проектор 8 установлен на вершине верхнего выступа 4. Видеокамеры 7 ввинчиваются в поворотные плиты 9, каждая из которых снабжена (смотри фигуру 2) нижней цапфой 10, которая введена в горловину 11 кольца 12, приваренного к концу примыкающего рычага 3. В кольцо 12 устанавливается боковой нажимной винт 13, конец которого входит в горловину 11 и зажимает нижнюю цапфу 10, удерживая ее на месте в заданном направлении. Наконец, крепежный винт 14 вводится в нарезное отверстие 15 плиты 9, которое соосно нижней цапфе 10, и этот винт 14 проходит через боковой рычаг 3 и через кольцо 12 и удерживает комплекс в блокированном положении. Такое расположение позволяет, как сразу становится понятно, ориентировать, при необходимости, видеокамеры 7 в одной и той же плоскости по азимуту для того, чтобы их установить с заданным углом сходимости. Центральный кожух 2 содержит, по существу (см. фигуры 1 и 3), две противоположные боковые стенки 16, снабженные выемкой 17, предназначенной для опорной цапфы 18 гамма-камеры 6. Винты 19 вводятся через боковые стенки 16 и цапфы 18 и ввинчиваются в гамма-камеру 6 для ее блокировки в заданном положении: в результате ее можно поворачивать вокруг горизонтальной оси, которая определяется цапфами 18 после того, как винты отжаты и, следовательно, регулировать на месте ее ориентацию. Корпус 1 установлен на станине 20, которую можно выполнить поворотной и которая крепится на неизображенном основании, на руке робота или же на другой детали в зависимости от применения. Способ определения места расположения источников радиоактивных излучений может быть описан весьма просто с помощью фигуры 4. Устройство, приближенное на допустимое расстояние к исследуемой окружающей, среде осуществляет съемку первой серии изображений окружающей среды с помощью видеокамер 7 и гамма-камеры 6 без движения. Оба полученные таким образом видимые изображения 25 и 26 окружающей среды представляют, по существу, один и тот же объект под различными углами зрения из видеокамер 7. Автоматическое сравнение видимых изображений 25 и 26, которое заключается в том, что осуществляют идентификацию и соединение аналогичных точек изображений, показывающих одну и ту же характерную деталь окружающего пространства, позволяет определить положение точек окружающей среды относительно устройства, включая их расстояние. Итак, можно моделировать окружающую среду в трех измерениях и определять место расположения устройства в окружающей среде. Поиск аналогичных точек на двух видимых изображениях 25 и 26 осуществляется с помощью специальных средств программного обеспечения, которые теперь можно приобрести в магазинах. Существуют даже такие средства программного обеспечения, которые могут различать непосредственно все детали на изображении посредством опознавания формы, связанной с корреляцией изображений, и находить их на аналогичном изображении. После того как определена пара аналогичных точек на видимых изображениях 25 и 26, определяют две линии, которые доходят до видеокамер 6 и через которые реальная точка окружающей среды проецируется на видимые изображения 25 и 26. В этом случае отклонение и угол сходимости видеокамер 6 известны, и вычисление элементарной триангуляции обеспечивает получение пересечения линий проецирования, т.е. положения точки в окружающем пространстве. Гамма-камера 6 осуществляет съемку изображения 27 радиоактивных источников. Однако для того чтобы определить положение источников полностью, необходимо сделать снимок другого изображения источников 28, которое было получено после того, как переместили устройство, направляя его на тот же участок окружающей среды, и сравнить эти два положения 27 и 28 для того, чтобы определить расстояние между источниками и гамма-камерой 6. Ниже приводится более подробное описание способа. Операции определения положения точек видимой и радиоактивной окружающей среды на основании изображений 25 и 28 обеспечивается средствами программного обеспечения фотограмметрии, соединенными со средствами вычисления посредством триангуляции, но необходимо выполнять предварительное эталонирование для того, чтобы определить наружные и внутренние параметры камер 6 и 7, т.е. , с одной стороны, их положения и относительные направления, а с другой стороны, их характеристики воспроизведения окружающей среды на основании изображений, которые они дают. Необходимо сначала определить внутренние параметры. Гамма-камера 6 и видеокамера 7 могут быть представлены (смотри фигуру 5) плоскостью изображения 30, на которой было принято изображение 25, 26, 27 или 28, и оптическим центром Р перед этой плоскостью изображения 30, через которую проходят все радиусы 32, которые отпечатывают плоскость изображения 30. Оптический центр образуется диафрагмой для видеокамер 7 и коллиматором 33. установленным перед камерой 34 со стенопом (камера-обскура), на дне которой находится плоскость изображения 30 для гаммы-камеры 6. Объект 35, визируемый камерой, появляется на его плоскости изображения в виде изображения 36 объекта, которое может иметь искажения, однако, если объект 35 является мишенью известной формы, а положение камеры 6 или 7 и, в частности, плоскости изображения 30 и оптического центра Р вычисляется по отношению к объекту 35, то можно установить соответствие между каждой точкой 37 объекта 35 и точкой 38, посредством которой он представлен на плоскости изображения 30, определяя радиус 32, который их соединяет и который проходит через оптический центр Р. Этот радиус 32 может быть полностью определен с помощью координат оптического центра Р и точки 37. Эталонирование (калибровка) заключается в том, что точно составляют таблицу соответствия между каждой точкой 38 изображения, снятого камерой 6 и 7 и направлением наводки (радиус 32), соединенным с этой точкой и проходящим через оптический центр Р. Эта таблица обязательна для данных регулировок камеры и предназначена для определения направлений точек неизвестных объектов, изображения которых получают в результате съемки. Объект 35 с известной формой может быть представлен в виде мишени, изображенной на фигуре 6, состоящей из сетки перекрещивающихся стержней, находящихся на расстоянии друг от друга и несущих точно идентифицируемые точки 39, которые позволяют программному обеспечению фотограмметрии легко найти характерные точки изображения и их идентифицировать в соответствующих точках мишени. Рассматривая вновь фигуру 4, можно понять, в этом случае, что любая точка 40 объекта 41 первоначально неизвестной окружающей среды, визируемая двумя видеокамерами 7, появится на видимых изображениях 25 и 26 в виде точек 42 и 43, положения которых на этих изображениях позволят определить направления на радиусах 44 и 45, исходя из оптических центров (обозначенных Р1 и Р2) двух видеокамер 7. Пересечение радиусов 44 и 45 вычисляют, обеспечивая возможность определить позицию точки 40 относительно видеокамер 7. Обобщение этого способа для всех пар аналогичных точек видимых изображений 25 и 26 позволяет определить форму и расположение объекта 41 в трехмерном пространстве. Если мы определяем точку 100 как источник, то она появляется также на изображении источников 27 гаммы-камеры 6 в виде точки 106. Положение камер 6 и 7 относительно объекта позволяет само по себе найти направление точки 100, которая расположена на радиусе 107. Но нельзя утверждать уверенно, что точка 106 происходит из точки 100, а не из какой-либо другой точки радиуса 107. Поэтому необходимо сделать снимок второго изображения источников 28 для того, чтобы получить второй радиус 108, который идет от нового положения оптического центра (Р3) гамма-камеры к точке 100, которую можно в этом случае определить как источник, вычисляя пересечение радиусов 107 и 108. Необходимо также еще знать расстояние 109 между двумя последующими положениями оптического центра РЗ гамма-камеры 6, т.е. знать основание триангуляции, на радиусах 107 и 108 для определения положения точки 100, которая является их пересечением, и угла вращения устройства между двумя съемками. Эти две информации могут быть получены с помощью непосредственного измерения перемещений устройства, если устройство установлено на руке робота, шарниры которого снабжены кодирующими устройствами перемещения, в противном случае, можно возобновить изучение окружающей среды объекта 101 на основании новых видимых изображений 49 и 50, снятых видеокамерами 7 при втором положении устройства для того, чтобы его вычислить относительно положения объекта 41. Таким образом, способ включает синтез двух моделей объекта 101, который может быть еще выполнен средствами программного обеспечения поиска и опознания аналогичных характерных точек этих моделей для того, чтобы определить, как отличаются их места расположения и направления по сравнению с местами расположения и направлениями видеокамер 7 между двумя фазами съемки. После окончания этого определения можно вычислить положение обеих линий проецирования 107 и 108 источника в одной из моделей и, следовательно, положение их точек 100 соединения в этой модели. Другой вариант выполнения способа заключается в том, что используют часть гамма-изображения 28, которое представляет окружающую среду 41. Действительно, гамма-изображения 28, полученные с помощью обычных гамма-камер, являются также чувствительными к видимому свету, в результате изображение окружающей среды 41 накладывается на изображение источников. Это изображение окружающей среды является слишком разряженным и расплывчатым для того, чтобы он могло обеспечить приемлемую модель окружающей среды 41 (хотя можно рассмотреть и исключения, например, изобретение могло бы осуществляться с помощью одной единственной камеры, причем все видимые изображения могли бы накладываться на гамма-изображения), но его коррелировать с моделью, полученной с помощью видеокамер 7, посредством уже упомянутого средства программного обеспечения для того, чтобы вычислить положения линий проецирования 107 и 108 источника в модели. В общем, способ может быть выполнен с помощью только одной камеры 7 при условии, что можно располагать данными измерения позиций съемки для того, чтобы это послужило основанием для триангуляций строения модели видимой окружающей среды или получения других данных, несколько примеров которых приведены ниже. Однако предпочтительно, чтобы изобретение выполнялось с помощью подробно описанного устройства, которое содержит три камеры, так как можно построить модель окружающей среды гораздо быстрее, не перемещая устройство между двумя съемками изображения и используя более эффективные средства программного обеспечения для успешного выполнения вычисления триангуляции. Устройство позволяет работать в “реальном времени”, если оно, например, установлено на руке робота, который должен манипулировать источниками. В этом случае положение источников вычисляется в течение времени перемещения руки вперед, а два других момента соответствуют двум фазам подачи руки вперед. Мы также уверены, что оба видимые изображения 25, удаленные от известной базы, будут похожими и что поиск аналогичных точек всегда будет успешным. Теперь приведем правила для определения наружных параметров устройства. Это определение осуществляют перед тем, как приступить к использованию устройства, в соответствии с фигурой 4, и выполняют сразу же после вышеописанного определения внутренних параметров устройства; следовательно, оно составляет вторую часть эталонирования устройства. Для моделирования объекта 40, осуществляемого на видимых изображениях 25 и 26, необходимо было также использовать триангуляцию, которая соответствовала расстоянию 51 между видеокамерами 7. Один вариант выполнения заключается в том, что используют многочисленные положения устройства, подключенного, с одной стороны, к известной информации о длине, полученной из плана или из эталона, установленного на месте действия, а с другой стороны, связанного со средством программного обеспечения вычисления для регулирования пучка. Также необходимо знать положение оптического центра Р3 гамма-камеры 6 для того, чтобы определить положение радиуса 47. Эти наружные параметры устройства могут быть представлены базой координат шести точек так, как показано на фигуре 7: три оптических центра P1, P2 и Р3 камер 6 и 7 и три точки, расположенные в ряд с соответствующими оптическими центрами на центральных оптических осях визирования камер 6 и 7. Эти последние точки обозначены позициями Р4, Р5 и Р6 и могут располагаться на любых расстояниях, идентичных или не идентичных относительно точек P1-Р3, с которыми они соответственно связаны. Нет также ограничения для положений и направлений, относящихся к центральным осям визирования, которые могут прерываться, хотя, предполагалось, что оси видеокамер 7 прерывались при предложенном варианте выполнения. Следовательно, можно без особого ограничения регулировать положения камер 6 и 7 на боковых рычагах 3 и корпусе 1. Итак, наружные параметры камер могут такими, как приведены в таблице (см. в конце описания), где х, y и z обозначают картезианские координаты рассматриваемой точки Р. Отметку измерения координат можно выбирать по желанию, например, начало можно обозначить Р1, ось х, проходящей через Р2 и центральную ось визирования Р1Р4, в плоскости осей х и у. В этих условиях можно написать x(P1)=y(P1)=z(P1)=y(P2)=z(P2)= z(P4)= 0. Эти семь ограничений фиксируют семь ограничений свободы данного устройства, в частности 3 вращения, 3 поступательных движения и одну базу расстояния. Все эти координаты могут быть вычислены посредством триангуляций эталонирования, которые выполняют посредством поворота устройства вокруг мишени, изображенной на фигуре 6, и установки в различные положения для того, чтобы выполнить серии кадров. В этом случае знают расстояния оптических центров Р1, P2 и Р3 камер 6 и 7 до мишени и, как только отмечена характерная точка мишени на изображениях камер 6 и 7, определяют направления радиусов, которые ее соединяют с оптическими центрами Р1, P2 и Р3 в зависимости от ранее установленной таблицы соответствия и, наконец, относительное положение оптических центров Р1, P2 и Р3, затем положения, приемлемые для точек Р4, Р5 и Р6. Вычисления положений точек Р1-Р6 осуществляют для нескольких характерных положений мишени для того, чтобы располагать большим числом данных, из которых, в результате, вычисляют среднюю величину. Фигуры 8 и 9 изображают блок-схемы, на которых изложены этапы, необходимые для эталонирования устройства и осуществления картографии. На фигуре 10 приведена полная схема применения устройства. На ней изображен первый модуль съемок 52, который соединен с гамма-камерой 6 и который регистрирует ее изображения; второй модуль съемок 53, который соединен с видеокамерами 7 и который регистрирует их изображения; модуль для поиска аналогичных точек 54, который соединен со вторым модулем съемок 53 и который осуществляет поиск аналогичных точек наблюдаемого объекта; модуль фотограмметрии 55, который устанавливает, по существу, направление точек наблюдаемого объекта в зависимости от положений изображений этих точек на снимках: модуль моделирования, который вычисляет положения точек объекта относительно устройства; модуль индикации 57; модуль управления работой четырех предыдущих модулей, их связями и выполнением съемок. В реальных условиях все эти модули могут быть объединены в одном компьютере и работать с программным обеспечением. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
