Предлагаю вашему вниманию перевод статьи Edward J. Ramaley «An Interesting Distance Meter», опубликованной в журнале «American Photography» за февраль 1939 г. В статье рассказывается о том, как из куска картона можно изготовить оригинальный оптический дальномер. Разумеется, в наши дни большинство фотокамер снабжены не то что дальномером, а полноценным автофокусом, что сильно снижает практическое значение описанного в статье примитивного устройства. Тем не менее, самодельный прибор остаётся презанятной игрушкой, с широким развлекательно-образовательным потенциалом и позволяет немного по-новому взглянуть на работу собственных глаз.

Стиль изложения может показаться местами несколько путанным, но таков он и в оригинале – я старался переводить по возможности близко к тексту.

Любопытный дальномер

Назначение дальномера в фотографии состоит в том, чтобы дать фотографу возможность сфокусировать объектив на предмете, не прибегая к измерению разделяющего их расстояния при помощи линейки или рулетки. Фокусировка осуществляется путём изменения расстояния между объективом и изображением в соответствии с расстоянием от объектива до предмета. Тщательная фокусировка особенно необходима, когда диаметр отверстия объектива достаточно велик по сравнению с его фокусным расстоянием. В целом, любой объектив, используемый на пределе своей светосилы, должен быть крайне аккуратно сфокусирован при съёмке близких предметов.

Оптический дальномер собирает свет через две приёмные системы, которые сопряжены таким образом, чтобы два сформированных ими изображения могли быть совмещены в одно. Надлежащая регулировка данного устройства может быть привязана к установке указателя на шкале, либо напрямую к фокусировке фотообъектива. Исходя из этого, может показаться логичным использовать непосредственно нашу собственную пару глаз в качестве оптического дальномера, что может быть реализовано несколькими способами. Один из них заключается в использовании индивидуально откалиброванной шкалы, удерживаемой на расстоянии вытянутой руки и наблюдаемой для измерения конвергенции глаз, смотрящих на объект.

Калибровка дальномера

Из картона вырезается треугольник с основанием три дюйма и высотой восемь дюймов. От окна или другого источника света откладывается наименьшая дистанция, указанная на фокусировочной шкале вашей камеры, и измеряющий становится на данную точку лицом к свету. Треугольник нужно держать напротив окна перед глазами на расстоянии вытянутой руки, используя естественное мышечное усилие, которое могло бы быть воспроизведено по желанию. Сфокусировав глаза на окне, вы убедитесь, что треугольник кажется сдвоенным, поскольку каждый глаз смотрит на него со своей собственной точки зрения. Продолжая удерживать фокус на окне, можно приложить прямую линейку поперёк треугольника, параллельно его основанию, так, чтобы она пересекала края каждого из двух мнимых треугольников в точке их взаимного пересечения. Наконец по линейке проводится линия. Этим завершается калибровка для данной дистанции.

Полная фокусировочная шкала вашей камеры наносится на картонный треугольник точно таким же способом: отступая от окна на соответствующее расстояние, определяют, где пересекаются два мнимых треугольника и проводят горизонтальную линию через это пересечение. Точность дальномера убывает с увеличением дистанции, но точно так же убывает и необходимость в критическом фокусе. Прилагающиеся рисунки показывают, как выглядит завершённый дальномер и каким он кажется, когда глаза сфокусированы на точке за ним.

Как пользоваться дальномером

При практическом использовании шкала удерживается вертикально на расстоянии вытянутой руки, в то время как глаза сфокусированы на значимой части сцены. Ноготь большого пальца скользит вверх по шкале до видимого пересечения двух треугольников, после чего взгляд можно перевести на треугольник, чтобы увидеть, какую линию отмечает ноготь, и сфокусировать камеру в соответствии с полученным значением. Казалось бы, ничего не может быть проще, однако существуют некоторые досадные помехи, о которых нельзя забывать.

Наши глаза обманывают нас. Иногда нам кажется, что мы смотрим точно на объект, но на самом деле наши глаза сфокусированы на точке в воздухе. Средство от этого – сделать несколько считываний достаточно быстро, не давая глазам времени уставать или колебаться. Повторяйте до получения согласующихся результатов. Также следует помнить, что глазной зрачок это не точка, и его размер при ярком освещении, не таков, как при тусклом. Вследствие этого, на дальнем конце шкалы возникает определённый недостаток точности, и при чтении со шкалы приходится использовать приблизительно ту же яркость, что и при калибровке. Этот эффект уменьшается, если производить калибровку при умеренно ярком освещении, а непосредственно перед считыванием посмотреть на свет такой же интенсивности.

Математическое отношение и обоснование для данного прибора показаны на рис. 3, и, как можно увидеть, расстояние между глазами весьма существенно для больших расстояний. Смысл в том, что если шкала откалибрована в светлой комнате и используется также в светлой комнате, расстояние между глазами не меняется. Меж тем, в тёмных местах глазной зрачок расширяется, преувеличивая, таким образом, одни значения и преуменьшая другие.

Другой источник нестабильности, а именно трудность удерживания шкалы всегда на одном и том же расстоянии, очень легко преодолевается посредством очень небольшой практики, использованием естественного положения и комфортного мышечного усилия. Погрешности в удерживании треугольника особенно значимы на ближних дистанциях.

Это устройство не приспособлено для коммерческого производства, поскольку оно должно соответствовать определённой паре глаз и конкретной руке. Оно ничего не стоит и может быть изготовлено за полчаса, но при использовании с должным вниманием, оно превращает пару зорких глаз в отличный дальномер, который не требует себе оправдания. Продолжительное использование этого прибора в процессе фотографирования играющих детей с близкого расстояния и при открытой диафрагме позволило получить множество вполне удовлетворительных негативов и продемонстрировало полезность устройства.

Рис.3 Кривые, показывающие зависимость длины меток на шкале от расстояния до объекта при длине руки 27 дюймов и различных расстояниях между глазами.
CD – длина линии на шкале в дюймах.
BE – расстояние от глаз до объекта в футах.
AB – расстояние между глазами в дюймах.

Послесловие переводчика

Нельзя не отдать должное изобретательности автора, хотя литературная сторона статьи, конечно, оставляет желать.

Мне не вполне ясно, каким образом изменение размера зрачка может влиять на расстояние между зрачками. Очевидно, автор подразумевает не расстояние между центрами зрачков, а скорее расстояние между их медиальными краями. По-моему это не совсем правильно. В конце концов, оптическая ось глаза проходит именно через центр зрачка, а потому для наших целей важно именно расстояние между центрами зрачков, которое не зависит от их диаметра. Правда, при расширении зрачка (мидриазе) происходит уменьшение глубины резко изображаемого пространства, в результате чего объекты не в фокусе (в том числе сдвоенный треугольник дальномера) будут выглядеть несколько более размытыми. Это немного снижает точность измерения, но не настолько, чтобы этому факту стоило уделять особое внимание.

Прецезионность калибровки дальномера эмпирическим путём, т.е. буквально на глаз, также вызывает у меня определённые сомнения. Слишком уж неточен метод измерения (особенно для дальних дистанций), чтобы применять его при разметке эталонной шкалы. На мой взгляд, расположение горизонтальных меток на шкале дальномера лучше рассчитать. Я даже придумал алгоритм, который способен облегчить эту задачу. Всё что вам нужно, это попросить кого-нибудь измерить расстояние между центрами ваших зрачков (глаза при этом должны смотреть вдаль), а также расстояние от глаз до шкалы дальномера, удерживаемого в вытянутой руке, после чего подставить полученные цифры в соответствующие ячейки формы и нажать на кнопку «Построить таблицу». Для каждой дистанции вы получите высоту соответствующей горизонтальной метки, считая от снования треугольника, а также её длину (отрезок CD на рисунке 3). Все величины, само собой разумеется, метрические.

В продаже, есть большое количество дешевых датчиков – дальномеров, в их числе ультразвуковые и инфракрасные. Все эти устройства работают хорошо, но из-за значительного веса, не подходят для летающих роботов. Миниатюрный робот вертолет, например, может нести около 100 г полезной нагрузки. Это даёт возможность использовать, для поиска препятствий и предотвращения столкновений с ними, машинное зрение, используя веб-камеры (или другие миниатюрные, беспроводные камеры с подключением к компьютеру через USB). А еще лучше, установить две камеры, что обеспечит роботу, стерео зрение, таким образом, благодаря информации о глубине изображения, улучшится обход препятствий. Недостатком этой идеи является сравнительно большой вес камеры.

1. Лазерный дальномер из веб-камеры

1.1. Принцип работы

Лазерная точка проектируется на возможное препятствие, лежащие в поле зрения камеры, расстояние до этого препятствия может быть легко вычислено. Математика здесь очень простая, обработку данных лучше всего производить в компьютерных приложениях. (см. рис. 1.1)

Рисунок 1.1 – Принцип действия дальномера

Итак, вот как это работает. Лазерный луч проецируется на объект в поле зрения камеры. Этот луч должен быть идеально параллелен оптической оси камеры. Лазерная точка захватывается вместе с остальной сценой. Простой алгоритм ищет на изображении яркие пиксели. Предполагая, что точка лазера является яркой на фоне более тёмной обстановки (я использовал обычную лазерную указку купленную в магазине за доллар), изначально положение точки в кадре не известно. Затем нам нужно рассчитать дальность до объекта, основываясь на том, где вдоль оси Y находится лазерная точка, чем ближе она к центру изображения, тем дальше находится объект.

Как мы видим из рисунка выше, расстояние (D) может быть рассчитано по формуле:

Конечно, для решения этого уравнения, вы должны знать, h – фиксированное расстояние между лазерной указкой и камерой. Знаменатель высчитывается так:

Для калибровки системы, мы будем собирать серию измерений, где нам известно, дальность до цели, а также количество пикселей центра изображения до точки лазера.

Используя следующее уравнение, мы можем вычислить угол наклона в зависимости от значения h, а также фактическое расстояние до каждой точки.

Теперь у нас есть расчётные значения, мы можем придумать отношения, что позволяет нам рассчитывать, дальность, зная количеством пикселей от центра изображения. Можно использовать линейную зависимость.

1.2. Компоненты

Для сборки дальномера требуется не так много деталей: веб-камера и лазерная указка. Для соединения лазерной указки и камеры необходимо вырезать раму из жести или фанеры:

Собранный дальномер должен выглядеть примерно следующим образом:

1.3. Программное обеспечение

Программа-обработчик написана на двух языках: Visual C ++ и Visual Basic. Вы, вероятно, подумаете, что программа на Visual Basic проще, чем на VC ++ в плане кода, но во всём есть компромисс. Код на VC ++ можно собрать бесплатно (при условии, что у вас есть Visual Studio), в то время как код VB требует приобретение программных пакетов сторонних производителей (в дополнение к Visual Studio).

Коды программ написанных на Visual Basic и Visual C ++ можно найти по ссылке: www.cxem.net

1.4. Дальнейшая работа

Одним из конкретных улучшений, которые могут быть внесены в этот дальномер, является проекция горизонтальной лазерной линии, вместо точки. Таким образом, мы сможем вычислять расстояние до цели, для каждого ряда пикселов на изображении .

2. Фазовый лазерный дальномер

В даном разделе описаны натуральные испытания макетного образца фазового лазерного дальномера, полученного собственными силами.

2.1. Выбор метода измерений

Принцип действия дальномера физического типа заключается в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью дает возможность определять дальность до объекта.

Существует несколько методов измерения дальности:

1. Метод триангуляции.

2. Частотный.

3. Импульсный метод.

4. Фазовый метод.

Разрабатываемый лазерный дальномер предлагается выполнить но основе фазового метода. Фазовый метод измерения расстояний основан на определении разности фаз посылаемых и принимаемых модулированных сигналов.

Режим работы устройства зависит от его температуры, с изменением которой незначительно изменяется фаза сигнала. Вследствие этого точное начало отсчета фазы определить нельзя. С этой целью фазовые измерения повторяются на эталонном отрезке (калибровочной линии) внутри прибора. Главное преимущество фазового метода измерения – более высокая точность, которая может достигать единиц миллиметров .

2.2. Создание макетного образца

Для проверки теоретических положений на практике, проверки устойчивости усилительных каскадов и предварительной оценки чувствительности и уровня шумов измерительного канала отраженного лазерного излучения был разработан и исследован его макетный образец.

В качестве излучателя при разработке макетного образца использован стандартный модуль красного лазерного светодиода (см. рис. 2.1) мощностью 5 мВт длиной волны 650 нм.

Рисунок 2.1 – Модуль лазерного светодиода

Для регистрации отраженного лазерного излучения в качестве фотоприемника использован pin-фотодиод bpw24r (см. рис. 2.2). К преимуществам данного фотодиода следует отнести высокую чувствительность в красной области видимого спектра, узкую диаграмму направленности и малую емкость р-п-перехода (5 пФ). Максимальная рабочая частота 35 МГц.

Рисунок 2.2 – PIN-фотодиод bpw24r

Для генерации рабочего и опорного сигналов использован модуль DDS генератора сигналов на базе микросхемы AD9850 (см. рис. 2.3). Рабочий диапазон генерируемых синусоидальных колебаний лежит в пределах от 1 Гц до 40 МГц, шаг перестройки 1 Гц, относительная нестабильность частоты 10 -5 .

Рисунок 2.3 – Модуль AD9850 DDS генератора сигналов

В качестве микропроцессорного модуля управления использована стандартная плата Arduino Uno (см. рис. 2.4) на базе современного микро-контроллера ATmega328 c тактовой частотой 16 МГц.

Рисунок 2.4 – Микропроцессорный модуль Arduino Uno

На рисунке 2.5 приведена схема модулятора лазерного излучения. Гармоничный сигнал частотой 10 МГц и амплитудой 0,5 В с выхода DDS генератора поступает на электронный усилитель с коэффициентом усиления по напряжению K U = 3, построен на базе операционного усилителя DA1 AD8042. С помощью подстроечного резистора R1 обеспечивается выбор оптимального положения рабочей точки по постоянному току.

Рисунок 2.5 – Функциональная схема модулятора лазерного излучения

На рисунке 2.6 представлена схема отраженного лазерного сигнала, состоящий из фотоусилителя на DA1, смесителя и двухкаскадного избирательного усилителя на DA2 и DA3. Фотопидсилювч превращает измерительный оптический сигнал в электрический. На выходе смесителя формируется низкочастотный разностный сигнал с частотой 1 кГц, который после фильтрации двухзвенный фильтром нижних частот (R3, R4, C4, C5) поступает на избирательный усилитель с коэффициентом усиления около 10000.

Модулятор лазерного излучения и измерительного канала отражен-ного сигнала собраны на отдельных беспаечних монтажных платах (см. рис. 2.7 и 2.8). Программное обеспечение модуля разработано в среде Arduino 1.0.5. Для управления DDS генератором использована стандартная библиотека AH_AD9850.h .

Рисунок 2.6 – Функциональная схема измерительного канала отраженного лазерного излучения

В результате испытаний макетного образца получили:

– Уровень шумов на выходе избирательного усилителя составляет 5 мВ;

– Уровень полезного сигнала на выходе избирательного усилителя при расстоянии до объекта 2 м составляет 200 мВ;

– Самовозбуждение усилителя отсутствует;

– Внешняя засветка фотодиода на результаты измерений не влияет.

Рисунок 2.7 – Макетная плата модулятора

Рисунок 2.8 – Макетная плата измерительного канала отраженного сигнала

3. Заключение

В целом результаты макетирование подтверждают способность предложенного способа измерений, основанного на технике прямого преобразования частоты. Чувствительность измерительного канала достаточна для регистрации отраженного лазерного сигнала. Уровень выходного сигнала позволяет в дальнейшем простыми средствами определять его фазу и вычислять расстояние до объекта.

Список источников

Лазерный дальномер из web камеры. – [Электронный ресурс] – Режим доступа: www.cxem.net – Дата доступа: апрель 2014 года. – Загл. с экрана.
Денисюк Р.Э., Кузнецов Д.Н. Лазерный дальномер для систем машинного зрения роботов/Cборник тезисов докладов Второго регионального научно-практического семинара Теоретические и практические аспекты приборостроения, 18 апреля 2013, Луганск, кафедра Приборы, ВНУ им. В.Даля. – c. 20–21.

Доброго времени суток читающим! Наверняка не я единственный задавался вопросом приобретения, а лучше создания своими руками достаточно точного дальномера, с возможностью измерять расстояния не менее нескольких км. Как то давно познакомился с интересным материалом, благодаря которому я научился приблизительно измерять расстояния методом «тысячных». При пользовании этим методом, как вы знаете, нужно знать размеры удаленного предмета. Кто сталкивался, знает что в горах сложно найти
предмет со знакомыми размерами. Поэтому хотелось так же иметь и другой способ, не требующий обязательных условий. Вчера в интернете случайно попалась конструкция самодельного оптического дальномера.
Далее немного копипаста:
«Определить расстояние на глаз трудно. Более или менее человек справляется с этой задачей на ровной местности. Если же между предметом и наблюдателем овраг или река, то ошибиться можно в два-три раза.

Точно оценить расстояние до различных предметов вам поможет зеркальный дальномер.

Сделайте из 33-мм фанеры, тонких дощечек или другого жесткого листового материала заготовки, соедините их столярным клеем в продольный футляр, оставив открытой верхнюю крышку 4. Торцевые стенки 5 делают после того, как уже склеен желоб из деталей 1, 2 и 3. Затем в верхней части коробки укрепите полоски зеркала размером 25x50 мм, как показано на рисунке. Зеркало А приклейте намертво клеем БФ-2 к бруску, соединяющему детали 2 и 5, а зеркало Б - на лыску вращающейся оси.
Вставьте эту ось нижним концом в отверстие детали 3, накройте футляр крышкой 4 так, чтобы верхний конец оси попал в отверстие детали 4. Наденьте на верхний конец оси стрелку-указатель (из жести или алюминия), смазав место соединения клеем БФ-2, и укрепите защитный хомутик.

Следующий этан работы - градуировка. Отмерьте мерной лентой или рейкой 50 м от какого-нибудь вертикального предмета, например телеграфного столба, и встаньте на это место. Медленно поворачивая зеркало Б, совместите изображения нижней и верхней частей столба. Отметьте положение стрелки на шкале риской и против этой риски напишите: «50 м». Затем отмерьте от столба 100 м, опять совместите изображения «половинок» столба, риской отметьте положение стрелки, написав против нее: «100 м» - и т. д. После градуировки расстояния между рисками на глаз разделите на более мелкие части.

Точность дальномера зависит и or длины стрелки: чем она длиннее, тем большее расстояние проходит ее конец (при том же угле поворота зеркала Б). Но особенно длинной делать стрелку не стоит - интервал измеряемых расстояний от этого уменьшается. Чтобы пыль не проникала внутрь прибора, в три отверстия вставьте кусочки стекла, тонкого плексигласа или прозрачного целлулоида.

Готовый прибор покрасьте нитро или масляной краской в защитный цвет.»

Так же в других статьях читал что можно вместо зеркал использовать лазерные указки, небольшой увеличительный прибор(мини монокль какой нибудь)
Хочу узнать, сталкивался ли кто либо с таким прибором? Если да, какие тонкости в конструкции есть? Из каких подходящих деталей можно изготовить? Рекомендуемая длина прибора для более точного измерения и на большие дистанции. И вообще буду рад любым мыслям о дальномере- этом и других вообще. Спасибо!

В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.

Теория

Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.

Видео работы дальномера:

Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:

Использование отражателя:

Как видно, расстояние до отражателя - 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.

Точность получившегося дальномера - 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз - 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять - на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов - у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность - довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.

Теория

Видео работы дальномера:

Теги: Добавить метки