Исследование телевизионного метода измерения параметров движения летательных аппаратов

Слежение за сложными пространственными многотоновыми объектами на сложном фоне в пассивных системах, действующих без подсветки лазерным пятном, выполняется при помощи телевизионных многофункциональных следящих систем. В условиях низкого отношения сигнал/шум, сложного полутонового фона, произвольного по конфигурации и размерам движущегося объекта, наличия смазанного изображения наилучшие результаты в телевизионных следящих системах дает корреляционно-экстремальный алгоритм слежения [13, 18].

При корреляционном алгоритме слежения осуществляется сравнение текущего изображения объекта с заранее полученным эталонным изображением объекта. Координаты объекта определяются на основании сравнения видеосигналов от двух изображений: текущего и эталонного. Эталонное изображение обычно заготовлено заранее, а текущее воспринимается видеоанализатором непосредственно в процессе слежения. Эталонное изображение передается в логическое устройство в виде соответствующего видеосигнала, характеризующего требуемое положение отслеживаемого объекта по отношению к полю зрения видеоанализатора. Видеосигнал от текущего изображения характеризует истинное положение отслеживаемого объекта в поле зрения видеоанализатора. Отклонение текущего положения объекта от требуемого определяется путем сравнения видеосигналов от эталонного и текущего изображений и нахождения их взаимокорреляционной функции [13, 18]. Под классическим алгоритмом корреляционной обработки изображений понимают вычисление функции взаимной корреляции или интеграла типа свертки с последующим поиском максимума этой функции. В процессе работы телевизионная следящая система корреляционного типа должна непрерывно определять текущее значение взаимно корреляционной функции видеосигналов текущего и эталонного изображений, выявлять ошибку слежения за объектом и формировать корректирующее воздействие, устраняющее смещение текущего изображения относительно эталонного. Для повышения точности в видеокорреляторах может выполняться разнообразная предварительная обработка изображений, обеспечивая ускорение и упрощение вычислений взаимнокорреляционных функций. Например, может выполняться предварительное преобразование многотоновых изображений в двоичные изображения для выделения однородных зон с последующим проведением их взаимнокорреляционной обработки [13]. По принципу действия рассматриваемые системы являются экстремальными, так как корректирующее воздействие обеспечивает максимизацию сигнала на выходе коррелятора.

Обычно в телевизионных следящих системах корреляционная обработка видеосигналов сравниваемых оптических изображений осуществляется в специальном цифровом или аналоговом вычислителе. В таких системах эталонные изображения обычно заранее записываются в форме видеосигналов, которые затем последовательно извлекаются из блока памяти и подаются для корреляционной обработки с видеосигналами от текущего изображения.

В зависимости от типа используемого коррелятора различают аналоговые (оптические) или цифровые способы записи и хранения эталонного изображения. Изображения в оптическом корреляторе могут запоминаться на оптических управляемых транспарантах, на фотопленке (негатив или позитив) или на маске, изготовленной вытравливанием на металлической пленке или вырезанием изображения из непрозрачного материала. Банки хранения и смены таких эталонов могут быть выполнены в виде лентопротяжных механизмов или механизмов смены слайдов. К недостаткам подобных устройств относят: низкое быстродействие и точность, слабую надежность. В цифровых корреляционно-экстремальных системах эталоны могут также запоминаться на ПЗС — структурах, перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах (ЗУ), оперативных ЗУ, гибких или жестких дисках и магнитных лентах. Создаются систематизированные наборы цифровых изображений — библиотеки цифровых изображений [17]. Способность системы к извлечению подходящего эталона из библиотеки напрямую определяет быстродействие следящей системы, а степень его соответствия меняющимся параметрам текущего изображения — точность.

В реальных условиях естественного освещения изображения трехмерных объектов подвержены значительной изменчивости в зависимости от положения источников освещения, ракурса наблюдения, параметров съемочной аппаратуры. Накопление эталонных изображений во всем диапазоне условий чрезвычайно затруднено, так как учет только такого параметра, как ракурс, уже выходит за рамки первых тысяч изображений для одного объекта.

Вводу в эксплуатацию современных летательных аппаратов (ЛА) предшествует ряд этапов: от выбора принципа построения до натурных испытаний, позволяющих определить реализованные характеристики изделия, оценить эффективность их применения и безопасность эксплуатации. В процессе натурных испытаний, предшествующих их вводу в эксплуатацию, необходимо:

— документировать реальную обстановку, в том числе и нештатные ситуации, возникающие при взлете и посадке в сложных условиях для их последующего разбора;

— обрабатывать и анализировать поступающую информацию (данные о траектории и параметрах движения) в реальном времени;

— документировать результаты анализа информационных параметров (отклонения ЛА от стандартных траекторий и аварийные ситуации);

Взлет и посадка являются одними из наиболее ответственных этапов в ходе натурных испытаний и эксплуатации ЛА. Сложность траекторных измерений состоит в том, что при взлете и посадке ЛА находится в ближней радиолокационной зоне, и не может рассматриваться, как точечный объект. Эта задача может быть решена при использовании прецизионной телевизионной ТВ системы и обработке изображений на компьютере. Дополнительно ТВ система обеспечивает наблюдения за ЛА, облегчает принятие оперативных решений и позволяет документировать видеоматериалы. Это дает возможность анализировать отклонения ЛА от стандартных траекторий и аварийные ситуации в ходе разбора полетов [67].

Телевизионные методы измерения параметров движения летательных аппаратов на основе процедуры корреляционного совмещения и использования систематизированных наборов цифровых эталонных изображений обладают рядом существенных недостатков :

— существующие методы формирования эталонного изображения (управляемого транспаранта, видеосигнала, на фотопленке, масочный) не позволяют создавать эталоны в реальном времени для сложных сцен с динамическими изображениями;

— библиотеки цифровых изображений не могут обеспечить накопление эталонных изображений во всем диапазоне изменения значений параметров сцены;

— библиотеки реальных изображений требуют дорогостоящей дисковой подсистемы повышенной емкости и быстродействия, использования методов сжатия изображения, быстродействующего процессора и большой оперативной памяти;

— указанные аппаратные средства используются неэффективно и не в состоянии обеспечить требуемую скорость вычислений и точности работы системы;

— подход к большинству методов построения эталонных изображений фрагментарен и практически не учитывает перспективные возможности применения ЭВМ и микропроцессорной техники;

— в связи с этим отсутствует гибкость при обработке данных, не обеспечивается потенциально достижимое быстродействие, точность и надежность;

Таким образом, актуальной является задача разработки и исследования метода измерения параметров движения летательных аппаратов на взлете и посадке телевизионными средствами на основе корреляционного совмещения телевизионного изображения летательного аппарата и двухмерной маски, полученной путем компьютерного моделирования его трехмерной модели и ее проекции на картинную плоскость.

Метод построения трехмерной компьютерной модели летательного аппарата и, на ее основе, двухмерной маски должен обеспечивать требуемую точность созданной модели и быстродействие, достаточное для проведения расчетов в реальном масштабе времени.

Для этого были решены следующие основные задачи:

— проанализированы, и обоснованно выбраны методы машинной графики, позволяющие строить эталонные изображения для реальных сцен;

— в целях оценки временных затрат выбранных методов необходимо выполнить компьютерное моделирование;

— синтезировать тестовое эталонное изображение;

— обеспечить высокую степень физического подобия эталона;

— обеспечить проведение расчетов по синтезу компьютерной трехмерной модели летательного аппарата и ее проекции на картинную плоскость — двухмерной маски в реальном масштабе времени;

— оценить степень влияния объема данных, детальности математической модели, конфигурации персонального компьютера на точность и скорость расчета;

— провести теоретическое и экспериментальное исследование распознавания углового положения объекта на основе корреляционно-экстремального алгоритма с использованием адаптивных эталонов в условиях неизвестной ориентации корпуса и в сложных условиях наблюдения, характеризующихся наличием смазанного изображения;

— провести теоретическое и экспериментальное исследование временных и точностных характеристик метода компьютерного моделирования эталонного изображения для измерения параметров движения летательного аппарата;

Диссертация состоит из четырех разделов.

В первом разделе приведена классификация существующих методов распознавания изображений, дан обзор телевизионных следящих систем корреляционного типа, выявлены основные ограничения и недостатки существующих методов записи и хранения эталонных изображений, обоснована целесообразность разработки метода компьютерного моделирования эталонных изображений летательного аппарата при измерении параметров движения объекта по адаптивным эталонам в условиях неизвестной ориентации корпуса, сформулированы требования, которым должен удовлетворять метод формирования эталонного изображения в современных условиях.

Во втором разделе показано, что изображения, создаваемые при помощи методов трассировки лучей и излучательности обладают максимальной реалистичностью, которая в практических случаях, зачастую, является избыточной. В то же время подобные методы являются особенно трудоемкими с точки зрения вычислительных затрат. Приведена классификация методов геометрического моделирования пространственных форм объекта. Используя предложенный метод восстановления трехмерного тела по набору его поперечных сечений, представлено компромиссное решение, учитывающее особенности задачи и удовлетворяющее противоречивым требованиям: точности, зависящей от степени детальности модели, и возможности ее обсчета в реальном масштабе времени. На основе конструктивных данных по объекту моделирования, приведенных в открытых публикациях [33, 34, 35] выполнена оцифровка набора поперечных сечений летательного аппарата. Недостающие сечения строились с использованием интерполяции ближайших к ним сечений, с учетом размеров на представленных видах (слева, справа, спереди, сзади, сверху, снизу). Рассмотрение и анализ различных вариантов построения модели дало возможность остановиться на 42 вершинах для задания каждого из 24 сечений, что позволило описать топологию объекта в целом и достичь необходимой точности аппроксимации, при сохранении возможности расчета в реальном времени. Преобразования и синтез проекций эталонного изображения летательного аппарата — двухмерных масок на основе его компьютерной модели представлено в виде суперпозиции основных геометрических преобразований: параллельного переноса, поворота, зеркального отражения и масштабирования, то есть с помощью общего аффинного преобразования. Реализация аффинных преобразований была выполнена с использованием векторно-матричного аппарата линейной алгебры, что эффективно с вычислительной точки зрения и позволяет накапливать преобразования для получения единого, выполняя их совмещение. Матричной форме описания элементарных и совмещенных преобразований отвечает описание координат точек в системе однородных координат. Таким образом, компьютерная модель эталонного изображения летательного аппарата описывает объект, как совокупность однородных координат вершин сечений, и видоизменяет его при помощи аффинных преобразований на основе матричной формы. Проведено исследование методов построения проекций трехмерного объекта. Вывод изображения выполняется с использованием ортографической проекции, не искажающей поперечные сечения объекта. В качестве матрицы перспективного преобразования была выбрана матрица с точкой схода (0,0,—с). Для формирования двухмерной маски, как результата проецирования, было выполнено удаление скрытых частей поверхностей объекта. Создание на экране графической модели объекта обеспечивается модулем, написанным на языке программирования высокого уровня Borland С++ 3.1. Алгоритм удаления скрытых линий и поверхностей в сочетании с методом закраски формирует, а использование геометрических преобразований в пространстве позволяет динамично, в режиме реального времени телевизионной развертки, перемешать проекции объекта моделирования в плоскости экрана.

В третьем разделе приведен вариант построения программно-аппаратной системы измерения параметров движения летательных аппаратов, реализующей телевизионный метод обработки результатов испытаний на основе алгоритма корреляционно-экстремального совмещения телевизионного изображения летательного аппарата и адаптивных эталонов — двухмерных масок его трехмерной компьютерного модели [67, 76]. Проведено исследование распознавания параметров движения объекта на основе корреляционно-экстремального алгоритма с использованием адаптивных эталонов в условиях неизвестной ориентации корпуса и в сложных условиях наблюдения, характеризующихся наличием смазанного изображения. Исследована потенциальная точность координатных измерений и оценки угловых параметров объекта, а также зависимость точности от степени нерезкости изображения, вызванного движением.

В четвертом разделе для оценки временных параметров формирования двумерной маски летательного аппарата и степени влияния конфигурации персонального компьютера на скорость расчета, было проведено компьютерное моделирование, выполнявшееся на трех персональных ЭВМ с различными техническими характеристиками. Получена оценка точности измерения временных параметров. Используя методы многофакторного регрессионного анализа, выявлена степень влияния отдельного сечения и их совокупности на время формирования двумерной маски. На основе анализа геометрической формы объекта предложена оценка степени необходимого соответствия геометрического описания объекта при построении модели реальному летательному аппарату. Проведено исследование влияния расстояния до объекта на точность оценки параметров движения летательного аппарата.

В приложениях содержаться результаты обзора существующих алгоритмов оценки параметров движения объекта в плоскости телевизионного изображения. Приведена процедура статистического анализа точности измерения временных параметров формирования двухмерной маски и процедура многофакторного анализа для оценки степени влияния отдельного сечения и их совокупности на временные параметры формирования двумерной маски летательного аппарата. Выполнена оценка степени необходимого соответствия геометрического описания объекта при построении модели реальному летательному аппарату. Приведены результаты экспериментальных исследований построения двухмерной маски летательного аппарата на основе его трехмерной компьютерной модели, влияния смаза и дальности на точность оценки параметров движения летательного аппарата.

Положения, выносимые на защиту: метод компьютерного моделирования эталонных изображений летательного аппарата при измерении параметров движения объекта телевизионными средствами по адаптивным эталонам в условиях неизвестной ориентации корпусасинтез эталонного изображения двухмерной маски летательного аппарата, полученной путем компьютерного моделирования ЗЭ модели и ее проекции на картинную плоскость для последующего корреляционного совмещениявременные и точностные характеристики телевизионного метода измерения параметров движения летательного аппарата на основе компьютерного моделирования эталонных изображений.

1. Распознавание образов в телевизионных следящих системах.

Основные результаты проведенной работы следующие:

1. Исследование существующих методов машинной графики позволило сделать вывод, что максимальное приближение к реальной сцене обеспечивается средствами трехмерной машинной графики на основе метода трассирования лучей. Результаты компьютерного моделирования показали, что изображения, создаваемые при помощи метода трассировки лучей обладают максимальной реалистичностью, которая в практических случаях часто является избыточной. В то же время метод являются особенно трудоемким с точки зрения вычислительных затрат, что не позволят использовать его для практических приложений в реальном масштабе времени телевизионного стандарта. Наиболее эффективным следует признать способ формирования эталонного изображения на основе использования методов машинной графики непосредственно в процессе слежения. В корреляционном совмещении с текущим изображением участвует не неповоротливое и ограниченное эталонное изображение из библиотеки цифровых изображений, а математическая модель объекта. Основная идея компьютерного моделирования эталонных изображений сводится к хранению в памяти ЭВМ описания геометрической формы объекта поиска вместо его изображения и генерации последнего в условиях получения анализируемого изображения.

2. На основе исследования методов компьютерного моделирования было предложено компромиссное решение, учитывающее особенности задачи и удовлетворяющее противоречивым требованиям: точности, зависящей от степени детальности модели, и возможности ее обсчета в реальном масштабе времени. Предложенный метод синтеза изображения объекта по набору поперечных сечений на основе формирования топологии полигональной сеткой обеспечивает: компактность описания, вычислительную легкость построения, аппроксимированного многогранниками объекта, удобство проведения преобразований и деформаций, вызванное пригодностью математического описания для выполнения вычислений. Метод удовлетворяет требованиям комплексности, надежности, быстродействия, точности, открытости.

3. На основе конструктивных данных по объекту моделирования, приведенных в открытых публикациях [33, 34, 35] выполнена оцифровка набора поперечных сечений летательного аппарата. Недостающие сечения строились с использованием интерполяции ближайших к ним сечений, с учетом размеров на представленных видах (слева, справа, спереди, сзади, сверху, снизу). Рассмотрение и анализ различных вариантов построения модели дало возможность остановиться на 42 вершинах для задания каждого из 24 сечений, что позволило описать топологию объекта в целом и достичь необходимой точности аппроксимации, при сохранении возможности расчета в реальном времени.

4. Система моделирования описывает объект и видоизменяет его с целью получения различных проекций — двухмерных масок. Изменение координат точек объекта моделирования представляется в виде суперпозиции основных геометрических преобразований: параллельного переноса, поворота, зеркального отражения и масштабирования, то есть с помощью общего аффинного преобразования, известного из аналитической геометрии. Реализация аффинных преобразований с использованием векторно-матричного аппарата линейной алгебры эффективна с вычислительной точки зрения и позволяет накапливать преобразования для получения единого, выполняя совмещение преобразований. Матричной форме описания элементарных и совмещенных преобразований отвечает описание координат точек в системе однородных координат. Вывод изображения выполняется с использованием ортографической проекции, не искажающей поперечные сечения объекта. Таким образом, компьютерная модель эталонного изображения летательного аппарата описывает объект, как совокупность однородных координат вершин сечений, и видоизменяет его при помощи аффинных преобразований на основе матричной формы.

5. Создание на экране графической модели объекта обеспечивается модулем, написанным на языке программирования высокого уровня Borland С++ 3.1. Алгоритм удаления скрытых линий и поверхностей в сочетании с методом закраски формирует, а использование геометрических преобразований в пространстве позволяет динамично, в режиме реального времени телевизионной развертки, перемешать проекции объекта моделирования в плоскости экрана.

6. Результаты компьютерного моделирования для оценки временных параметров формирования двумерной маски летательного аппарата показали, что для рабочего варианта персонального компьютера (Pentium ММХ, 166 Мгц) среднее время формирования ракурса для любой оси колеблется от 1,5 — 2 (масштаб 32×32, 64×64) до 3 -5 (масштаб 128×128, 256×256) периодов кадровой развертки. Таким образом, обеспечивается возможность программного формирования эталонного изображения в реальном масштабе времени телевизионной следящей системы.

7. Для оценки степени влияния отдельного сечения и их совокупности на временные параметры формирования двумерной маски летательного аппарата было проведено компьютерное моделирование. План эксперимента характеризовался матрицей планирования. Обработки результатов эксперимента показала, что общее число факторов, определяющих основную часть отклика, существенно меньше (в 2 — 3 раза) числа независимых переменных. Детальное исследование уравнения регрессионной модели было выполнено на основе построения и анализа графиков прогнозных значений отклика от каждой входной переменной.

8. Оценка степени необходимого соответствия геометрического описания объекта при построении модели реальному летательному аппарату позволила оставить в составе модели элементы, совокупность которых обеспечивает требуемую точность оценки параметров объекта при минимальной топологической сложности и минимальном времени построения изображения эталона. Крутизна ВКФ для рабочего варианта модели в среднем, почти в два раза выше, чем для прочих, что свидетельствует о ее существенно более высокой разрешающей способности.

9. Точность определения координат и угловых параметров модели зависит от масштаба отображения и ограничена погрешностью измерений, обусловленной, в основном, растровым характером представления графических данных, конечной разрешающей способностью и выбранным значением масштаба проектирования. Результаты исследования показали, что при отсутствии смаза для рабочих значений масштаба, соответствующих дальности до объекта не менее 100 метров, устойчивая точность углового определения по любому из углов пикирования, крена и курса не хуже одного градуса. При увеличении масштаба рабочая модель показывает точность 0,5 градуса. Внесение смаза (при величине до полуметра) практически не уменьшает точность оценки. Лишь при увеличении величины смаза вдвое точность падает и становится меньше одного градуса. Модель обеспечивает требуемую точность координатных измерений — 0,1 метра. При использовании корреляционно — экстремальной обработки смаз слабо влияет на точность его определения. Обеспечивается устойчивое определение координат условного центра JTA с погрешностью не более 3%.

10. Результаты компьютерного моделирования оценки степени влияния расстояния до объекта на точность траекторных измерений позволяют сделать ряд выводов. Для ТВ камеры, размещенной на оси ВПП, в среднем на дальности до 200 метров погрешность определения угла пикирования и курса составляет 0 градусов, до 400 метров — 1 градус, до 600 метров — 2 градуса. При дальности от 800 до 1000 метров погрешность составляет, в среднем, 5 градусов для угла пикирования и не менее 7 градусов для угла курса. Точность определения угла крена выше точности определения угла пикирования и курса: в среднем, начиная с дальности 4 00 метров до.

1000 метров — 1 градус. Погрешность оценки координаты Х0, у0 не превосходит 0,5 метра. Погрешность оценки координаты ZQ незначительно (с учетом погрешности расчета) превосходит 0,5 метра, начиная с дальности 600 метров.

11. Рассмотренная компьютерная модель эталонного изображения летательного аппарата удовлетворяет требованиям по точности и работает в реальном масштабе времени телевизионной развертки. Таким образом, ее быстродействие и точностные характеристики соответствуют требованиям, предъявляемым к современным телевизионным следящим системам. Модель ориентирована на широкий круг применения и может существенно облегчить решение следующих задач:

— экспериментальные и теоретические исследования в области разработки аппаратного и программного обеспечения систем распознавания и обработки изображений;

— создание промышленных телевизионных следящих систем, ориентированных на решение конкретных задач;

— обеспечение учебного процесса в вузах по многим специальностям, включающим учебные дисциплины по телевидению, цифровой обработке изображений, робототехнике и ряду других.

Заключение

.

В выполненной диссертационной работе, включающей теоретические и экспериментальные исследования, проводилось изучение телевизионного метода измерения параметров движения летательного аппарата на основе компьютерного моделирования эталонного изображения ЛА.