WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ГАПОН Андрей Викторович

ТЕОРИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

ИНВАРИАНТНЫХ ОРТОКОРРЕЛЯЦИОННЫХ АЛГОРИТМОВ

АВТОЗАХВАТА НАПРАВЛЕНИЯ ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ

В ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ СЛЕДЯЩИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.12.04 –

«Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

        1. Работа выполнена на кафедре радиолокации, управления и информатики Мо­сковского физико-технического института (государственного университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

ВАСИЛЬЕВ Дмитрий Валериевич

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

КРАВЧЕНКО Виктор Филиппович

кандидат технических наук

ЕГОРОВ Александр Сергеевич

Ведущая организация: Государственный научно-

исследовательский институт

авиационных систем (г. Москва)

Защита состоится 17 декабря 2009 г. в 17 час. 00 мин. на заседании диссер­тационного совета Д 212.157.05 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по ад­ресу:

111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энерге­тического института (технического университета).

Автореферат разослан «____» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05,

кандидат технических наук, доцент

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Ортокорреляционные дискриминаторы (ОКД) сдвига изображений использу­ются как измерительные звенья оптико-электронных следящих систем (ОЭСС) для решения широкого круга задач: навигация беспилотных летательных аппара­тов, астроориентация, контроль движения потоков, создание робототехнических устройств, обеспечение вхождения в связь по оптическим каналам в космосе и др.

Данная работа посвящена повышению эффективности корреляционных алго­ритмов, принадлежащих к классу беспоисковых. Она является продолжением ра­бот профессора Д.В. Васильева и его учеников по теории и использованию беспо­исковых корреляционных дискриминаторов (КД). Их алгоритмы нашли примене­ние в системах навигации и успешно испытаны в измерителях скорости поездов.

Главные достоинства беспоисковых алгоритмов в сравнении с многошаговы­ми процедурами поиска глобальных экстремумов:

1. Радикальное снижение вычислительных затрат за счет отказа от поисковых операций. Отсюда – быстродействие, требуемое для режимов «реального време­ни».

2. Возможность бесступенчатых измерений сдвигов изображения на непре­рывной шкале значений с субпиксельной точностью.

Отслеживаемый в ОЭСС обобщенный сдвиг может быть не только двумер­ным (аддитивным), но и многомерным. Подобные системы находят все большее применение в системах ориентирования космических аппаратов (КА) для обеспе­чения вхождения их в связь. При этом эталон формируется непосредственно в по­лете аппарата по заложенным в память КА звездным каталогам, а отрабатывае­мый сдвиг является трехмерным – к двум аддитивным компонентам добавляется креновая. В системах навигации по участкам земной поверхности отрабатываемое рассогласование включает в себя в общем случае шесть компонент – помимо трех вышеназванных к ним относятся масштабная компонента и две ракурсных.

Решение задачи удержания выбранного направления в пространстве состоит из двух последовательных этапов:

1) Автозахват (АЗ) в наблюдаемом ТВ-камерой яркостном поле участка, представленного в эталонном изображении (ЭИ), центр которого служит точкой прицеливания (ТП). Итогом процесса захвата является точное совмещение задан­ной в эталоне ТП с центром текущего изображения (ТИ).

2) Автосопровождение (АС) заданной точки прицеливания по ТИ, обеспечи­вающее ее удержание в центре рабочего окна путем корреляционного сравнения совокупности окружающих ориентиров в составе ЭИ и ТИ и компенсации изменяющихся многомерных проективных сдвигов между этими изображениями.

Режим автозахвата по внешнему эталону в условиях значительных началь­ных рассогласований ранее не использовался. Необходимые исследования, прово­дившиеся лишь в последние годы, еще далеки от завершения. Основным показа­телем качества ОЭСС в режиме автозахвата служит диапазон допустимых началь­ных угловых рассогласований с требуемым направлением – зона захвата. В суще­ствующих алгоритмах, работающих по описанному принципу, зоны захвата со­ставляют не более 20% от размеров рабочего поля, что ограничивает возможности их применения.

При создании алгоритмов автозахвата важно: 1) реализовать алгоритмы при минимальных вычислительных затратах для использования их в системах «реаль­ного времени», 2) минимизировать время вхождения в захват, 3) обеспечить мак­симальную инвариантность параметров ОКД к смене характеристик изображений, по которым должно осуществляться самонаведение. Полезно, чтобы режимы АЗ и АС осуществлялись алгоритмами, сходными по структуре и различающимися только значениями параметров. Это упрощает и ускоряет обработку. В ряде слу­чаев эталон готовится заранее (например, по спутниковым снимкам местности), поэтому ограничение на время подготовки эталона не столь существенно, как ограничение на длительность автозахвата.

Таким образом, актуальной является задача расширения зон автозахвата беспоис­ковых корреляционных ОЭСС до величин не менее размеров рабочего поля зрения си­стемы с возможностью работы алгоритмов в «реальном времени», минимизацией вре­мени вхождения в захват и сохранением инвариантности к смене сюжета.

Состояние исследования корреляционных методов измерения сдвига сигна­лов. Исследованиями в области беспоисковых корреляционных дискриминаторов сдвига сигналов и изображений уже более четверти века занимаются проф. Д.В. Васильев и его ученики А.В. Русаков (обоснование цифровых алгоритмов стационарных и нестационарных КД), В.П. Сергиенко (основы процессорной об­работки в корреляционных головках самонаведения), С.Г. Глотов (синтез бы­стрых алгоритмов обработки изображений), В.В. Мишин (анализ свойств двумер­ных корреляционных характеристик дискриминаторов), К.А. Григорьев, В.А. Ни­конов (изучение перекрестных связей в алгоритмах КД), Е.А. Фирсов (оп­тимизация базисных вейвлет-функций и автозахват) и др. Альтернативная ветвь корреляционных методов обработки, основанных на применении поисковых про­цедур, исследована, в частности, в работах Б.А. Алпатова и др. (классический и разностный корреляционные алгоритмы, метод последовательного определения сходства изображений, спектральные методы оценки параметров обобщенного сдвига и т.д.).

Целью настоящей работы является изыскание и разработка алгоритмов расширения зоны захвата в беспоисковых корреляционных ОЭСС с сохранением инвариантности к смене сюжета.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) Обобщенное описание беспоисковых корреляционных алгоритмов на основе математического аппарата ортокорреляции.

2) Развитие и применение обобщенного метода оценки выходного шума ОКД.

3) Разработка способов расширения зон автозахвата в ОЭСС на основе мето­да скользящей фильтрации входных сигналов.

4) Изыскание путей сокращения вычислительных затрат в реализации алго­ритмов нестационарных парциальных ОКД.

5) Поиск приемов повышения инвариантности параметров ОКД и робастно­сти ОЭСС к смене сюжетов.

Методы исследований. 1. Математическое и полунатурное моделирование зам­кнутой оптико-электронной системы слежения за вектором сдвига изображе­ний с использованием статистических экспериментов на реальных и модельных видеосюжетах произвольного состава со случайным выбором направления прице­ливания оси ОЭСС.

2. Анализ свойств взаимных корреляционных характеристик двумерных финитных изображений в многомерном пространстве проективных преобразова­ний с привлечением теории операторов обобщенного сдвига.

3. Использование математического аппарата теории непрерывных сигналов и линейных цепей с переменными параметрами для синтеза парциальных ОКД с за­данными свойствами.

4. Применение в алгоритмах ОКД спектральных преобразований обобщенно­го типа, в частности, в вейвлет-базисах атомарных функций.

5. Сравнительное изучение частных свойств парциальных ортокорреляцион­ных дискриминаторов посредством их моделирования по напи­санной автором серии программ на языке С#.

Научная новизна заключается в следующих результатах работы:

1. Предложен набор показателей качества дискриминатора для режима авто­захвата.

2. Разработан до уровня рабочих программ новый алгоритм увеличения зоны захвата ОКД с сохранением его инвариантности к смене сюжета.

3. Предложен ряд практических методов, позволяющих снизить вычисли­тельные затраты в реализации адаптивных алгоритмов нестационарных КД (НКД).

4. Впервые беспоисковые корреляционные алгоритмы рассмотрены с исполь­зованием математического аппарата ортокорреляции.

5. Предложен метод оценки шумовых свойств ОКД.

6. Подтверждена возможность реализации в алгоритмах ОКД контуров меж­кадровой обработки, позволяющих не менее чем на порядок улучшить точность оценки сдвига. Показано, что организация таких контуров совместно с алгоритма­ми скользящей фильтрации значительно снижает вычислительные затраты. Это позволяет за малые времена получать сдвиговые оценки точнее, чем в обычных ортокорреляционных алгоритмах.

7. Впервые в алгоритме НКД использовано разложение сигналов по более широкому классу базисных функций (БФ) – обладающих взаимной ортогонально­стью, но не требующих симметрии в паре четная-нечетная функция.

Практическое значение работы заключается в том, что в ней подробно рассмотрены и усовершенствованы алгоритмы автозахвата, которым в предше­ствующих исследованиях уделялось мало внимания. Разработанные алгоритмы оптимизированы по вычислительным затратам и обеспечивают обработку сигна­лов в реальном времени. Приведена удобная при анализе и синтезе следящих си­стем процедура оценки выходных шумов измерительного звена, использование которой позволяет обеспечить максимальную точность работы системы.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Асимптотическая дискриминационная характеристика (ДХ) следящей си­стемы, вычисляемая на множестве сюжетов, полностью определяет среднеквадра­тичное отклонение (СКО) и спектр выходного шума дискриминатора в окрестно­сти нулевых сдвигов.

2. Существует прямо пропорциональная зависимость СКО шума на выходе дискриминатора от ширины монотонной зоны проектируемой ДХ.

3. Множество беспоисковых корреляционных алгоритмов измерения обоб­щенного сдвига допускает общее теоретическое описание с использованием мате­матического аппарата ортокорреляции.

4. Использование скользящей фильтрации с эталонным полем, большим по размерам, чем рабочий формат окна дискриминатора, позволяет при приемлемых вычислительных затратах

    1) обеспечить зону захвата, полностью перекрывающую рабочий формат,

    2) повысить инвариантность к смене сюжета, снизить влияние краевых эф­фектов и перекрестных связей,

    3) улучшить динамические свойства следящей системы при больших рассогласованиях,

    4) повысить точность субпиксельной оценки сдвига.

5. Сужение зоны захвата приводит к повышению точности автосопровожде­ния.

Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в работе ал­горитмы и результаты исследований использованы при решении задач навигации беспилотных летательных аппаратов в рамках НИР «Известность-И» (ОАО «Им­пульс») и в комплексе средств межспутниковой оптической связи для системы ГЛОНАСС в рамках ОКР «Смерч-М» (ФГУП «НИИПП»).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсу­ждались на 48-й и 50-й научных конференциях «Современные проблемы фунда­ментальных и прикладных наук» (МФТИ 2005–2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 статьи в журнале «Электромагнитные волны и электронные систе­мы», входящем в перечень ВАК, а также 2 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка используемых источников в количестве 80 наименова­ний. Содержит 99 страниц, 31 рисунок, 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность работы, описана ее цель и определен круг задач, которые необходимо решить для достижения поставленной цели.

Глава 1. Обзор теории оптико-электронных следящих систем.

В первой главе сделан обзор работ по теории ОЭСС и проведен анализ состоя­ния вопроса.

На рис. 1 показаны характерные звенья ОЭСС, соединение которых образует замкнутый контур авторегулирования:

– Приемник изображений (телевизионная камера), преобразующий входное яркостное поле, создаваемое объектами наблюдения, в цифровой видеосигнал.

– Запоминающее устройство (ЗУ) для хранения эталонного изображения. За­грузка ЭИ в ЗУ при вводе задания может производиться из внешних источников с использованием соответствующих каналов связи с оператором. В процессе слеже­ния возможна перезапись эталонных изображений в ЗУ, которая производится че­рез приемник изображений посредством блока перезаписи эталонов.

Pages:     || 2 | 3 |






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