WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

Российский государственный гидрометеорологический университет

На правах рукописи

УДК

Савченко Виктор Владимирович

Перенос изображения через взволнованную водную поверхность: физическое моделирование

Специальность 25.00.28 – океанология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург - 2009

Работа выполнена в институте океанологии им. П.П. Ширшова РАН

Научный руководитель

Доктор физико-математических наук Левин Иосиф Маркович

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук Чаликов Дмитрий Викторович

Доктор технических наук Алешин Игорь Владимирович

Ведущая организация институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН), Нижний Новгород

Защита состоится ______________________________________

дата, время

на заседании диссертационного совета Д 212.197.02 в Российском государственном гидрометеорологическом университете по адресу: 195196, Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного гидрометеорологического университета.

Автореферат разослан ___________________________________

дата

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат географических наук профессор В.Н. Воробьев

Актуальность темы

Происходящий в наше время процесс освоения Мирового океана определил в последние годы бурное развитие средств наблюдения за подводными объектами. Область применения таких средств чрезвычайно широка. Это, прежде всего, изучение Мирового океана как источника естественных материальных ресурсов, необходимых для жизни человека, поиск и разработка месторождений нефти, газа, железных руд и других полезных ископаемых, богатейшие запасы которых накопленных в море; обнаружение загрязнений толщи моря; рыбный промысел, изучение и добыча биологической продукции моря, в частности, морских водорослей, кораллов. Системы наблюдения используются также при строительстве подводных сооружений, для поиска затонувших кораблей, мин, торпед и подводных лодок, при аварийно-спасательных работах и в целом ряде других работ и научных исследований Мирового океана. Значение работ с применением систем наблюдения за подводными объектами очень велико. Поэтому большое внимание уделяется исследованиям, направленным на оптимизацию таких систем и улучшению их характеристик: увеличению их дальности действия, качества изображения, производительности.

Реальные средства наблюдения подводных объектов могут устанавливаться на подводных носителях, на кораблях, самолетах или спутниках. В трех последних случаях наблюдение ведется через поверхность моря, почти всегда взволнованную. Во всех случаях основной причиной ограничения дальности видимости подводного объекта является поглощение и рассеяние излучения в воде. Взволнованная поверхность моря является источником дополнительных шумов, возникающих из-за флуктуаций поступающего на приемник излучения от наблюдаемого подводного объекта, толщи воды и самой поверхности. Другая причина ухудшения качества изображения объекта, наблюдаемого через взволнованную поверхность моря, - это искажения изображения, возникающие из-за преломления отраженного от объекта света на участках поверхностных волн, имеющих случайный наклон. Когда время, за которое формируется изображение (время накопления сигнала), невелико (гораздо меньше периода поверхностного волнения), а именно так обстоит дело в реальных средствах наблюдения, установленных на авиа-носителях, структура таких мгновенных изображений может сильно отличаться от структуры наблюдаемого объекта. Изображение дробится, в нем появляются разрывы, информация о его структуре полностью утрачивается.

Для решения задачи оптимального построения систем наблюдения подводных объектов, улучшения качества изображения и увеличения производительности поиска необходимы теоретические и экспериментальные исследования проблемы видения подводных объектов, как с помощью подводных систем наблюдения, так и систем, работающих через взволнованную поверхность. Наиболее полное и последовательное изложение теории видения морского дна через взволнованную поверхность при естественном освещении, устанавливающей зависимости характеристик изображения от параметров системы видения, состояния поверхности и первичных гидрооптических характеристик (ПГХ) и представляющей рекомендации по оптимальной траектории полета авиа-носителя по отношению к положению Солнца и направлению ветра, содержится в монографии [1].

Однако, эти результаты - только часть решения задачи. Поэтому сейчас на повестку дня ставится задача уменьшения искажений изображения подводных объектов, наблюдаемых через взволнованную поверхность моря.

В самое последнее время появился ряд работ, в которых рассматриваются различные теоретические аспекты задачи коррекции изображений, искаженных поверхностным волнением, в предположении, что известна полная или частичная информация об уклонах поверхности [2-3]. Однако, экспериментальных работ по коррекции искаженного волнением изображения, подтверждающих теоретические результаты, насколько нам известно, не было.

Основные задачи диссертационной работы:

- Разработка экспериментального комплекса для проведения модельных экспериментов по переносу изображения через взволнованную водную поверхность.

- Проведение экспериментов по изучению характеристик волнового процесса в бассейне, измерению и анализу частотно-контрастных характеристик системы «вода + взволнованная поверхность».

-Разработка имитационной модели волнового процесса в бассейне для изучения переноса изображения объекта через взволнованную поверхность и апробации методов коррекции.

-Разработка алгоритмов и программ анализа изображений объекта и методов коррекции искажений, вызванных волнением.

-Проведение лабораторных экспериментов по коррекции искажений изображения для различных типов объекта.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые экспериментально исследован перенос изображения через взволнованную поверхность и впервые на лабораторном бассейне успешно осуществлена коррекция искажений изображения подводного объекта, вызванных случайным преломлением излучения на взволнованной границе раздела вода – воздух. Коррекция осуществлена на основе впервые предложенного метода определения уклонов волн с помощью дополнительного источника параллельного светового пучка. Проведенные исследования являются основой для дальнейшей теоретической и экспериментальной разработки оптимальных методов коррекции, наиболее простых и наиболее пригодных для их реализации в натурных условиях.

Практическое использование результатов работы может быть осуществлено при проектировании фото-, кино- и телевизионных систем наблюдения, установленных на воздушных носителях для усовершенствования их параметров при их применении во многих задачах исследования и изучения Мирового океана. Особенная важность и актуальность решения задачи коррекции определяется тем, что применение авиа- и спутниковых систем видения значительно повышает производительность поиска подводных объектов, т.е. площадь, просматриваемую в единицу времени, а значит и приводит к существенной экономии топлива и других ресурсов по сравнению с наблюдением с корабля или подводного аппарата.

На защиту выносятся следующие положения:

  • Методика и результаты лабораторных экспериментов по моделированию переноса изображения через взволнованную водную поверхность.
  • Метод и алгоритм коррекции искажений изображения, основанные на измерениях уклонов поверхности с помощью дополнительного источника параллельного светового пучка.
  • Результаты коррекции изображения, искаженного преломлением света на границе взволнованной поверхности, в лабораторных условиях.

Апробация работы и публикации:

Результаты исследований, отраженных в диссертации, опубликованы в 19 статьях и докладывались на 11 международных и одной всероссийской конференциях: 5-я, 6-я, 7-я и 8-я Международные конференции «Прикладная оптика», Санкт-Петербург, 2000, 2004, 2006 и 2008 гг.; Международная конференция «Physical Processes in Natural Waters», Иркутск, 2000г.; 1-я, 2-я, 3-я и 4-я Международные конференции "Current Problems in Optics of Natural Waters", Санкт-Петербург, 2001, 2003, 2005 и 2007 гг.; Симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация", Санкт-Петербург, 2002г.; Юбилейная Всероссийская научная конференция «Фундаментальные исследования взаимодействия суши, океана и атмосферы», Москва, 2002 г.; 9-я Международная конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики", Санкт-Петербург, 2008.

Личный вклад автора:

Все приведенные в диссертации алгоритмы и программы коррекции и все эксперименты по переносу изображения и коррекции искажений разработаны и проведены лично автором. В разработке и проектировании лабораторно-модельной установки (ЛМУ) и разработке приборов для изучения параметров волнения принимали участие В.Ю. Осадчий и О.Н. Французов. В теоретических разработках методов коррекции принимали участие И.М. Левин и В.Ю. Осадчий. В некоторых экспериментах принимали участие В.Ю. Осадчий, Н.И. Рыбалка и О.Н.Французов.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Работа изложена на 89 страницах, включающих 20 рисунков, 1 таблицу и список литературы из 93 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, определена цель и решаемые задачи, отмечена научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится общее описание экспериментального комплекса ЛМУ, основой которой является ветро-волновой бассейн. Длина бассейна – 155 см, ширина – 117 см, высота боковой стенки – 30 см. Волнение генерируется волнопродуктором, составленным из четырех вентиляторов.

Над центральной точкой водной поверхности на стальной мостовой конструкции закреплено координатно-поворотное устройство, позволяющее закреплять различные источники света и фотоприемники. Установка оборудована двумя осветителями – для освещения снизу диффузным светом тест-объектов, размещенных под днищевым иллюминатором, и для освещения поверхности воды параллельным пучком света сверху. Применение калиброванных фильтров для изменения спектра светового потока позволяет различить излучение днищевого и поверхностного осветителей.

В качестве приемников излучения использовались на разных этапах работы ТВ – комплекс либо цифровая фотокамера.

Для контактного измерения возвышений взволнованной водной поверхности использован косвенный метод измерения проводимости воды между параллельными металлическими электродами, опущенными в воду. Синхронное измерение уровня в нескольких фиксированных точках, позволяет вычислить не только спектр возвышений волнения, но и спектр, а также функцию распределения уклонов.

Оптический метод позволяет измерять наклоны волн по отклонению изображения диффузного точечного источника на снимке.

Вторая глава посвящена вычислению вероятностных характеристик ветрового волнения, генерируемого в опытном бассейне. Цель этих работ заключается в том, чтобы получить параметры для численной имитационной модели волнового процесса в бассейне.

В параграфе 2.1. исследовалась зависимость параметров распределения уклонов от скорости воздушного потока для определения интервала скоростей воздушного потока, при которых дисперсия уклонов волнения линейно связана со скоростью ветра, так же как и в распределении Кокса-Манка.

В параграфе 2.2 описаны алгоритмы и результаты вычисления вероятностных характеристик возвышений взволнованной поверхности по данным, измеренным с помощью контактного волнографа.

Анализ полученных оценок частотного спектра волнения показывает наличие двух хорошо различимых систем волнения. Система 1 характеризуется очень узким спектром и сформировалась как результат неравномерности воздушного потока и отражения волн от стенок бассейна. Система 2 представляет собой ветровые волны с более широким спектром.

Рабочий диапазон частот от 2 до 30 Гц.

В параграфе 2.3 приведены алгоритмы и результаты расчета оценок вероятностных характеристик уклонов, полученных по данным контактных измерений возвышений синхронно в четырех точках и измерений уклонов оптическим методом.

Оценка уклонов, полученная по синхронным измерениям возвышений в четырех точках вычисляется как отношение конечных разностей к расстоянию между датчиками.

По разностям синхронных измерений построена гистограмма уклонов. Оценка среднеквадратического уклона составляет =7.6° и =4.2°.

Для определения уклонов оптическим методом использовался светящийся тест-объект диаметром 2 мм. В процессе накопления сигнала формируется размытое изображение, двумерное распределение яркости в котором повторяет, в некотором масштабе, двумерную функцию распределения плотности вероятности уклонов. Оценка среднеквадратичного отклонения уклонов водной поверхности для направления вдоль действия ветра составила =9.3о, а для перпендикулярного направления – =5.3о.

В главе 3 описана имитационная модель волнового процесса в бассейне. Данная модель будет использована при разработке и апробации метода коррекции изображения, искаженного взволнованной водной поверхностью. Имитационная модель состоит из следующих компонентов: аппроксимации частотного спектра водной поверхности, дисперсионное соотношение для гравитационно-капиллярного диапазона, угловое распределение энергии в двумерном спектре и случайная равномерно-распределенная фаза волны. Изменение во времени формы поверхности моделируется сдвигом фаз за заданный период времени.

Входными параметрами для расчета частотного спектра возвышений являются дисперсия возвышений, частота спектрального максимума fm и наклон равновесного участка спектра, определяемый параметром m. Для аппроксимации спектра возвышений волнения используется формула

, (1)

где,, f – частота в Гц, m=5.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»