Алгоритмы совмещения радиолокационных изображений в корреляционно-экстремальных системах реального времени

Актуальность работы. Задача совмещения изображений является актуальной при решении многих практических задач, таких как обработка аэрокосмических снимков, навигация летательных аппаратов (ЛА) и связанная с ней проблема точного вывода JIA в заданную точку пространства с заданного направления, —получение — изображений в системах улучшенного и синтезированного видения (Enhanced synthetic vision system — ESVS) окружающего пространства и др.

При решении задач навигации важную роль играют корреляционно-экстремальные навигационные системы (КЭНС). В них осуществляется сравнение эталонных изображений (ЭИ), хранящихся в бортовой базе данных (ББД), с текущими (ТИ), получаемыми от систем технического зрения (СТЗ). Определение координат JIA и управление его движением по заданной траектории осуществляется в реальном времени.

Именно в КЭНС одновременное обеспечение двух противоречивых требований между ограниченным временем вычислений и высокой вероятностью правильного совмещения изображений вызывает наибольшие трудности. Поэтому, КЭНС является важной областью применения разрабатываемых в данной работе алгоритмов.

Учитывая событийный характер корреляционного совмещения ТИ и ЭИ, рассматриваемая КЭНС относится к классу поисковых.

Особенностью известных исследований в этой области является широкое использование следящих КЭНС, которые разработаны достаточно хорошо и находят реальное применение в системах автоматического слежения за целью, автоматического наведения крылатых ракет и т. п. Поисковые КЭНС разработаны в значительно меньшей степени, на уровне общих идей и алгоритмов, и не доведены до конкретной реализации с учетом требований реального времени.

Среди основных подсистем КЭНС, таких как: подсистема предварительной обработки ТИ, вычисления функционала сравнения ЭИ и ТИ, определения экстремума этого функционала, решение прямой геодезической 6 задачи для нахождения координат ЛА по координатам привязки изображений, значительную вычислительную сложность имеет подсистема поиска экстремума функционала сравнения. Даже при наличии современных высокопроизводительных вычислительных средств на борту ЛА, при размерности коррелируемых изображений в несколько сотен пикселов возникают значительные трудности с реализацией КЭНС в реальном времени.

Вычислительная сложность поиска экстремума в большой степени зависит от выбора способа представления ЭИ и ТИ и типа критериальной функции (функционала сравнения). В КЭНС могут использоваться различные способы представления: в виде исходных растровых изображений, признаков или образов изображений (например, инвариантных моментов) и др. Они существенно отличаются суммарной трудоёмкостью и степенью инвариантности к геометрическим искажениям, которые влияют на необходимый объем ББД ЭИ.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию и разработке алгоритмов поиска экстремума функционала сравнения ЭИ и ТИ с учетом способа представления ЭИ и ТИ для КЭНС, использующих поле радиолокационного контраста. Основными требованиями к данным алгоритмам являются:

— возможность реализации на борту ЛА в реальном времени;

— обеспечение заданной вероятности правильного совмещения ТИ и ЭИ, то есть заданной вероятности попадания в глобальный экстремум функционала сравнения;

— обеспечение максимально возможной устойчивости к искажениям.

При разработке алгоритмов поиска глобального экстремума функционала сравнения ЭИ и ТИ исследовались и учитывались особенности изображений характерных для бортовых радиолокационных станций (РЛС), работающих в режиме обзора земной поверхности.

В последнее время проводятся широкомасштабные исследования систем улучшенного и синтезированного видения (ЕБУБ) в авиации с целью повышения безопасности полетов и выполнения посадки. В данных системах одной из основных операций является совмещение двух и более изображений для целей улучшенной визуализации окружающего пространства. Алгоритмы поиска экстремума функционала сравнения (совмещения), разработанные в данной диссертационной работе могут применяться и в ЕБУБ, где в отличие от КЭНС сравниваются не ТИ и ЭИ, а изображения от различных сенсоров СТЗ и изображения виртуальной модели местности (ВММ).—- ————

Степень разработанности темы. Большой вклад в развитие научных исследований в этой области внесли отечественные ученые Сойфер В. А., Джанджгава Г. И., Визильтер Ю. В., Желтов С. Ю., Сергеев В. В., Злобин В. К., Еремеев В. В., Алпатов Б. А., Евтушенко Ю. Г., Стронгин Р. Г., Сергеев Я. Д., Сухарев А. Г. и другие. Однако не существует универсального алгоритма, который для всех областей применения обеспечивает требуемую эффективность. Поэтому при разработке и модификации существующих алгоритмов необходимо учитывать специфику предметной области, реальные характеристики критериальной функции, полученной в результате совмещения изображений от СТЗ ЛА. Главным недостатком известных методов и алгоритмов является сложность их реализации на борту ЛА в реальном времени с необходимой степенью' гарантированности нахождения* глобального экстремума и, как следствие, совмещения изображений.

В данной диссертационной работе исследуются и разрабатываются алгоритмы поиска глобального экстремума критериальной функции с требуемыми характеристиками трудоемкости и вероятности правильного совмещения двух изображений, т. е. с определенной степенью достоверности нахождения глобального экстремума за заданное время.

Основное содержание настоящей диссертации составляет разработка алгоритмов поиска глобального экстремума критериальной функции, формируемой при корреляционном совмещении изображения, полученного от СТЗ ЛА на базе РЛС, и изображений хранящихся в ББД в виде эталонов.

Цель диссертации состоит в исследовании и разработке алгоритмов поиска глобального экстремума, реализуемых в корреляционно-экстремальных навигационных системах, использующих радиолокационное изображение подстилающей поверхности, позволяющих в реальном времени обеспечить необходимую достоверность автономного определения координат текущего положения ЛА и обеспечивающих максимально возможную устойчивость к искажениям.

Для достижения поставленной цели решаются следующие основные «задачи: -1——-.- .••—-.——,————;

— разработка множества показателей качества критериальной функции совмещения радиолокационных изображений (РЛИ), с целью учёта их особенностей. Проверка адекватности используемых показателей качества критериальных функций и многокритериальный отбор лучших целевых функций;

— анализ и классификация методов поиска ГЭ критериальной функции. Определение множества показателей качества алгоритмов поиска ГЭ критериальной функции;

— модернизация и разработка алгоритмов поиска ГЭ критериальной функции, обладающих лучшими показателями качества;

— анализ известных и предложенных методов и алгоритмов поиска ГЭ критериальной функции и выбор наиболее эффективных на основе предложенного множества показателей качества алгоритмов совмещения изображений;

— исследование влияние яркостной составляющей шума и геометрических искажений на показатели качества алгоритмов;

— разработка программного стенда для исследования эффективности различных алгоритмов корреляционного совмещения РЛИ.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней разработаны алгоритмы поиска глобального экстремума в системах совмещения изображений, применяемых в корреляционно-экстремального навигационных системах летательных аппаратов на базе РЛС, учитывающие требования реального времени и заданную вероятность правильного совмещения.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

— методика оценки качества критериальной функции по сформированному множеству показателей качества, на основе которого осуществлено сравнение и отбор критериальных функций;

— методика отбора алгоритмов, по предложенному множеству показателей — качества, наиболее — эффективных—для систем—совмещения изображений с необходимой вероятностью и трудоемкостью;

— алгоритмы поиска ГЭ, с использованием модернизированного метода деформируемого многогранника;

— стратегии кластеризации области поиска, обеспечивающие уменьшение трудоемкости алгоритмов совмещения изображений;

— результаты исследования влияния яркостной составляющей шума и геометрических искажений на показатели качества алгоритмов.

Практическая ценность работы состоит в том, что в ней:

— предложены алгоритмы корреляционно-экстремального высоконадежного совмещения изображений, с целью коррекции текущих координат местоположения ЛА, которые могут быть реализованы в реальном времени на борту-., ,

— разработаны алгоритмы поиска ГЭ критериальной функции, позволяющие сократить объем ББД для хранения ЭИ;

— разработаны инструментальные средства для экспериментального исследования и отладки алгоритмов совмещения изображений в КЭНС.

Реализация и внедрение. Диссертация выполнена в Рязанском государственном радиотехническом университете в рамках НИР 4−08, 4−09, 8−09,2−10.

Результаты диссертационной работы и разработанный программный стенд внедрены в Научно-конструкторском центре видеокомпьютерных технологий (НКЦ ВКТ) ФГУП «Государственный рязанский приборный завод» в виде алгоритмов, реализующих технологию совмещения изображений в КЭНС и Е8У8.

Результаты исследований и разработанный в процессе работы над кандидатской диссертацией программный стенд «Алгоритмы поиска глобального экстремума в системах совмещения изображений» внедрены в учебном процессе кафедры электронных вычислительных машин Рязанского государственного радиотехнического университета и используются студентами-магистрантами направления 230 100 «Информатика и вычислительная техника» в курсе «Методы и алгоритмы обработки и анализа изображений».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на: 14-й Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (Рязань, 2005 г.) — 14-й Всероссийской научно-технической конференция студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и образовании» (Рязань, 2009 г.) — Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки» (Тамбов, 2011 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них три — в журналах, входящих в перечень ВАК РФ. Зарегистрирован программный ресурс в Объединенном фонде электронных ресурсов «Наука и 5 образование» (ОФЭРНиО). Результаты диссертации отражены также в четырех отчетах о НИР, выполненных в Рязанском государственном радиотехническом университете.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников и приложения. Основной текст работы содержит 184 страницы, 109 рисунков и 2 таблицы.

Список используемых источников

включает 79 наименований. В приложении приведены документы о внедрении и практическом использовании результатов диссертации и свидетельство о регистрации электронного ресурса.

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. Предложена методика оценки критериальных функций и алгоритмов поиска глобального экстремума, которые позволили осуществить сравнение известных и предложенных алгоритмов и выбрать алгоритмы, которые соответствуют требованиям КЭНС по вероятности и трудоемкости совмещения изображений.

2. Предложен алгоритм поиска глобального экстремума, основанный на методе деформируемого многогранника, который позволил увеличить вероятность попадания в глобальный экстремум за счет анализа поведения критериальной функции на линии деформации многогранника и за счет увеличения количества вершин многогранника. В результате получен метод ММДМ-N поиска ГЭ с вероятностью попадания в ГЭ до 0,98.

3. Предложены стратегии кластеризации области поиска для повышения эффективности поисковых алгоритмов. Показано, что данный л подход позволяет сократить количество вычислений целевой функции в 6−8 раз.

4. Исследованы показатели качественных характеристик алгоритмов метода мультистарта, генетического алгоритма и алгоритма поиска глобального экстремума с редукцией размерности области поиска с использованием развертки типа Пеано-Гильберта, МДМ и предложенных модифицированных методов и определено их место в решении задач корреляционно-экстремальной навигации.

5. Исследовано влияние яркостной составляющей гауссовского шума и спекл-шума на показатели качественных характеристик алгоритмов. Показано, что при ОСШ > 4 ранжирование методов по показателям КХА остается неизменным и сами показатели остаются в допустимых пределах.

6. Исследовано влияние геометрических искажений на показатели КХА методов поиска ГЭ. Определены допустимые пороги по углу поворота и масштабу при использовании растрового представления ТИ и ЭИ.

Предложенный метод ММДМ-Ы обеспечивает, при вероятности попадания в глобальный экстремум 0,98, уменьшение объема ББД для хранения ЭИ более чем в 4 раза по сравнению с другими методами.

7. Разработано инструментальное средство — программный стенд, позволяющий провести моделирование методов и алгоритмов, и их теоретико-экспериментальные исследования и отладку программного обеспечения для бортовых ЭВМ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ