Способ программной синхронизации модулей видеоспектральной аппаратуры, предназначенной для установки на беспилотный летательный аппарат

На сегодняшний день в дистанционном зондировании Земли все чаще используются беспилотные летательные аппараты (БПЛА) [1]. В качестве полезной нагрузки в зависимости от области применения на них могут быть установлены различные системы: мультиспектральные камеры, RGB-камеры, тепловизоры. Такие устройства используются в сельском и лесном хозяйствах, а также при анализе данных во время чрезвычайных ситуаций [2–4].
Одним из используемых средств для получения данных с использованием БПЛА являются видеоспектральные системы, в состав которых входят обзорная камера высокого пространственного разрешения и спектрорадиометр с высоким спектральным разрешением. НИИПФП им. А.Н. Севченко БГУ была разработана такая система – беспилотный комплекс авиационного спектрометрирования (БЕКАС) [5]. Видеоспектральный комплекс (ВСК) БЕКАС базируется на БПЛА DJI Matrice 300 RTK (Real Time Kinematic) и управляется с помощью одноплатного управляющего компьютера Raspberry Pi 4 Model B в автоматическом режиме. Обзорная камера регистрирует RGB-изображения с разрешением 1920×1080 пикселей. Спектральный диапазон работы спектрометра составляет 350–935 нм, спектральное разрешение ‒ 4 нм. Угловое поле зрения спектрометра – 0,7×1,2⁰, обзорной камеры – 15×27⁰.
Одной из задач, которую необходимо решить для использования данных, полученных с помощью видеоспектральных систем, является задача синхронизации обзорной камеры и спектрометра. Это необходимо для точной привязки области спектрометрирования к RGB-изображению, регистрируемому ВСК. В летном режиме ВСК регистрирует данные обзорной камеры с частотой 30 Гц и данные спектрометра с частотой 10 Гц. Каждый набор данных соответствует собственному времени регистрации. В то же время, оба источника данных обладают индивидуальными задержками в получении информации. Под временем синхронизации в данном случае понимается разница во времени между собственными задержками двух источников данных.
В качестве подхода к решению задачи было выбрано создание дополнительного программного модуля, предназначенного для трансляции на мониторе персонального компьютера фотоизображений различного цвета. В таком случае при задании необходимой частоты изменения цвета на мониторе с изначально выбранной последовательностью цветов можно провести видеоспектральную съемку с использованием ВСК в лабораторных условиях.
Для проведения эксперимента были выбраны 8 цветов в цветовой градации RGB. Время экспозиции спектрометра фиксировалось и равнялось 100 мс. Период изменения цвета на мониторе персонального компьютера также фиксировался на величине 100 мс. В ходе измерений регистрировались спектры, «смешанные» из пар выбранных изначально цветов за счет смещения во времени. На основе метода определения состава смеси спектров (метод активных множеств, [6]) производилось вычисление процентного вклада каждого из цветов в «смешанный» спектр, что в данном случае позволило оценить искомое время синхронизации.
Регистрация данных велась в течение 30 минут. После исследования всего объема информации определено, что время синхронизации составляет в среднем 128 мс, и в течение всего времени проведения эксперимента изменяется в среднем на величину ±15 мс. Таким образом, при внесении временной поправки был синхронизирован процесс получения данных обзорной камеры и спектрометра ВСК с точностью 15 мс.
При величине угла поля зрения спектрометра 1,2×0,7˚ его синхронизация с камерой с точностью до 15 мс может говорить о расчетной точности привязки области спектрометрирования к изображению ВСК от 93% до 97% (при высоте полета соответственно от 50 до 200 метров со скоростью смещения БПЛА 5 м/с).