скачать На правах рукописи ЧЕКОТИЛО Елена Юрьевна ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ Специальность 05.11.16 – Информационно - измерительные и управляющие системы (промышленность) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Самара - 2008 Работа выполнена на кафедре «Электропривод и промышленная автоматика» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет». Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор ^ Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор ГРЕЧИШНИКОВ Владимир Михайлович Кандидат технических наук, доцент ^ Ведущая организация: ФГУП ГНП РКЦ "ЦСКБ – Прогресс" (г. Самара) Защита диссертации состоится 3 июля 2008 г. в 10 часов 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корпус 6, аудитория 28. Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, Самара, ул. Молодогвардейская 244, Главный корпус на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 212.217.03; факс: (846) 278-44-00. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (ул. Первомайская, 18) Автореферат разослан 2 июня 2008 г. Ученый секретарь диссертационного совета Губанов Н. Г. Д 212.217.03. ^ Актуальность работы Важной задачей для многих отраслей промышленности является улучшение методов создания информационно-измерительных систем определения параметров движения (ИИС ОПД) изображений, способных определять текущее положение диагностируемого объекта и прогнозировать его новое положение (рассматриваемые в работе изображения – это объекты с собственным или отраженным электромагнитным излучением). Примером таких ИИС ОПД является задача определения параметров движения подстилающей поверхности, когда нежелателен или затруднен непосредственный контакт с контролируемым яркостным объектом. Задача бесконтактного определения параметров движения особенно актуальна в том случае, когда применение контактных методов в принципе невозможно или недопустимо. Например, при создании автономных средств навигации и ориентации космических и летательных аппаратов, систем наведения, слежения и обнаружения движущихся объектов с помощью оптико-электронных систем видимого и инфракрасного диапазонов, размещенных на борту летательных и космических аппаратов. Подобный случай имеет место также при измерении скорости движения автономных промышленных транспортных средств (транспортных роботов). Перечисленные задачи требуют определения параметров движения яркостных объектов по видеоинформации, получаемой на достаточно коротких интервалах времени, т.е. в реальном времени. Существуют ИИС ОПД, решающие в той или иной мере перечисленные выше задачи. Фундаментальным научным проблемам в области обработки аэрокосмических изображений и созданию ИИС на их основе посвящены работы российских ученых: член-корр. РАН Сойфера В.А., Порфирьева Л.П., Сухопарова С.А., Сергеева В.В., Титова В.И., Злобина В.К., Еремеева В.В., Обуховой Н.А., Ташлинского А.Г. и их научных школ. Перспективным методом, обладающим высоким быстродействием и универсальностью является т.н. метод функционализации параметров изображения 1. Однако, этот метод апробирован только для случая плоско-параллельного движения носителя оптической системы (ОС) относительно плоской подстилающей поверхности. Метод функционализации является обобщением известного «градиентного» метода, используемого для вычисления оптического потока 2. ![]() Практика использования ИИС ОПД, построенных на алгоритмах, реализующих этот метод, показала высокое быстродействие и хорошие метрологические характеристики ИИС ОПД, но только в условиях стабильности освещенности сцены. Оказалось, что при вариации освещенности сцены возникает методическая погрешность, пропорциональная производной по времени функции изменения освещенности. Настоящая работа посвящена развитию и апробации метода функционализации в приложении к определению движения подстилающей поверхности с тремя степенями свободы (случай, когда носитель ОС совершает плоско-параллельное движение относительно подстилающей поверхности и вращение в плоскости движения) в условиях изменяющейся освещенности сцены и вариации типов изображений подстилающей поверхности. Тема данной работы сформировалась при разработке пассивных высокоточных систем обнаружения и слежения за движущимися яркостными объектами по заказам Секции прикладных проблем при Президиуме РАН (СПП РАН), ГНП РКЦ "ЦСКБ – Прогресс", Минобрнауки - Госбюджетная фундаментальная НИР №522/08 «Создание основ теории и способов реализации алгоритмически точных методов определения алгоритмов оптимального управления объектами с распределенными параметрами». Целью диссертационной работы является расширение функциональных возможностей и повышение быстродействия информационно-измерительной системы определения параметров движения изображения подстилающей поверхности на основе развития метода функциональных преобразований параметров изображения. Для достижения поставленной цели в работе должны быть решены следующие задачи:
Методы исследований основаны на использовании теории оптико-электронных систем, основных разделов математического анализа и математических методов обработки экспериментов. Основные теоретические и практические выводы диссертации подтверждены результатами моделирования на ЭВМ и экспериментальными исследованиями макетных образцов. Научная новизна и значимость работы заключается в следующем:
Практическая ценность
Внедрение результатов работы осуществлено при разработке по заказу ФГУП ГНП РКЦ "ЦСКБ – Прогресс" (г. Самара) информационно-измерительной системы компенсации смаза изображений, получаемых при дистанционном зондировании Земли из космоса. Результаты используются в учебном процессе кафедры «Электропривод и промышленная автоматика» ГОУ ВПО «СамГТУ» в курсе «Элементы систем автоматики». Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на международных, всероссийских и межвузовских научно-технических конференциях, в том числе на V Международной конференции молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2004), Всероссийской научной конференции «Управление и информационные технологии» (Санкт - Петербург, 2005), III Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2006), XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2007), IV Всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара, 2007). Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 статьи в издании из перечня, рекомендуемого ВАК РФ. Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, выводов и списка литературы из 233 наименований. Общий объем 120 страниц, 3 таблицы, 35 рисунков. На защиту выносятся следующие положения:
^ Во введении обосновывается актуальность темы исследования, кратко характеризуется состояние проблемы, формулируются цели и задачи исследования, характеризуется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приводятся основные положения, выносимые на защиту. В первом разделе рассматривается состояние проблемы и обосновывается направление исследования. В общем случае ИИС ОПД выполняет следующие основные функции: формирования изображения с помощью изобразительной системы; преобразования изображения в электрический сигнал; предварительной обработки видеосигнала (оцифровки, фильтрации, нормализации, выделения требуемых параметров); реализации основного целевого алгоритма; слежения за движущимися объектами; адаптации параметров ИИС ОПД к изменяющимся условиям наблюдения (изменение времени экспозиции, автоматическая фокусировка изображения, изменение освещенности сцены); представления выходных данных в требуемой форме. На рисунке 1 дана обобщенная структура ИИС ОПД в составе информационно- управляющей системы зондирования яркостных объектов, выполняющая перечисленные функции. Конкретизация алгоритмов и характеристики подсистем и самой ИИС ОПД определяется реализованным в ней методом определения параметров движения. В приведенном обзоре выделены три большие группы методов определения параметров движения яркостных объектов – методы, основанные на анализе пространственных частот изображения, методы, основанные на измерении смещения изображения и градиентные методы. Из всех перечисленных методов наиболее перспективен для создания быстродействующих универсальных ИИС ОПД метод функциональных преобразований, который является обобщением градиентных методов 3. Метод функциональных преобразований отличается от известных существенно меньшей вычислительной сложностью и поэтому позволяет строить ИИС ОПД, работающие в реальном времени. Этот метод и реализующая его система рассматриваются в данной работе. Во втором разделе метод функциональных преобразований распространен на случай определения параметров движения при трех степенях подвижности носителя оптической системы (платформы) относительно плоского недеформируемого изображения подстилающей поверхности с учетом изменяющихся условий освещенности сцены. ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Согласно методу функциональных преобразований в окне анализа задается функционал ![]() ![]() где ^ – односвязная регулярная область анализа с границей Г(D); ![]() ![]() Далее вычисляется полная производная по времени от функционала (2) в силу уравнения движения изображения (1) с учетом того, что освещенность сцены меняется во времени. Для того чтобы учесть изменение во времени освещенности сцены, функция распределения освещенности изображения представляется в виде: ![]() где ![]() ![]() В таком случае полная производная по времени от функционала (2) приобретает вид: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Г(D) – граница окна анализа D; ![]() ![]() ![]() Полученное уравнение (3) является ФС - уравнением, которое связывает компоненты вектора ![]() ![]() Значения интегралов ![]() ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() b1 - b4 - коэффициенты уравнения, определяемые из выражений: ![]() ![]() ![]() ![]() Составляющие вектора ![]() ![]() где ![]() Решение системы уравнений (5) может быть найдено методом квазиобращений: ![]() Как следует из вида коэффициентов ФС - уравнения (3), их вычисление значительно упрощается, если окно анализа имеет форму прямоугольника, границы которого параллельны осям координат в картинной плоскости ОС. Критерием выбора функции веса ![]() В третьем разделе рассматривается итерационный алгоритм определения параметров движения изображения подстилающей поверхности. При исследованиях принято, что видеосигнал имеет вид: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Аналитически показано, что в рассматриваемом случае смещение математического ожидания оценки скорости движения при ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() i = 1…N – номер окна анализа. Из соотношения (7) следует, что для того, чтобы смещение математического ожидания оценки скорости ![]() ![]() В компенсационном методе используется итерационная процедура совмещения изображений подстилающей поверхности в двух последовательных во времени кадрах изображений. При этом в ОЗУ ИИС ОПД хранятся два последовательных кадра ![]() ![]() ![]() Согласно методу функциональных преобразований на каждом шаге итерационной процедуры формируется система алгебраических уравнений, необходимая для определения оценок составляющих вектора смещения изображения ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() Для каждой j - ой пары окон записывается уравнение функциональной связи (4) относительно компонент вектора смещения: ![]() где ![]() Тогда решение системы ФС – уравнений (5): ![]() где ![]() В итерационной процедуре на каждом шаге определяются оценки компонент вектора смещения изображения подстилающей поверхности: ![]() где = 0, 1, 2,…, n – номер итерации; ![]() ![]() ![]() ![]() На каждой итерации ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В итоге, оценка скорости постоянно корректируется и постепенно приближается к скорости движения изображения подстилающей поверхности. Для простоты реализации итерационного метода удобно использовать «пирамидальную» функцию веса ![]() ![]() Таким образом, параметрами функции веса ![]() ![]() Задачей является оптимизация параметров вычислений (размеров, количества окон анализа и матрицы коэффициентов обратной связи) на основании критериев:
Для решения задачи оптимизации получены аналитические оценки сходимости итерационного метода с «пирамидальной» функцией веса без учета аддитивного шума для тестового изображения, заданного функцией освещенности: ![]() где ![]() ![]() ![]() В силу сложности получения аналитических оценок сходимости итерационного метода для общего случая (12), рассматривается отдельно плоско-параллельное движение и вращение в плоскости движения подстилающей поверхности. Для случая плоско - параллельного движения ( ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() Например, при погрешности ![]() ![]() Соотношение (14) дает оценку области сходимости в пространстве начальных данных, в случае, когда изображение является тестовым вида (12). Для случая чистого вращения при ![]() ![]() Достаточным признаком сходимости итерационной процедуры (16) является следующее условие: ![]() Условие сходимости (17) будет выполняться для всех ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() В таблице 1 приведены результаты анализа зависимости количества итераций итерационного процесса (16) от критического значения коэффициента обратной связи ![]() ![]() Таблица 1
Для определения наилучшего в смысле сходимости значения ![]() ![]() Таблица 2
При увеличении ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() В общем случае изображение не является моночастотным. Оно представляется спектром пространственных частот (частотно-контрастным спектром), в котором путем фильтрации можно выделить гармоническую составляющую вида (12) с желаемой частотой ![]() ![]() ![]() ![]() Элемент ![]() ![]() ![]() Значение коэффициента обратной связи ![]() ![]() ![]() Эти выводы положены в основу излагаемой в четвертом разделе процедуры оптимизации параметров измерения. В четвертом разделе диссертации предложен алгоритм оптимизации параметров процесса измерения, реализованный в блоке СУППИ, блок-схема которого приведена на рисунке 2. ![]() Разработан алгоритм оптимизации параметров процесса измерения. Исходными данными являются:
![]()
сигнал/шум ![]()
![]() где ![]()
С целью систематизации результатов моделирования была произведена классификация изображений на основе исследования их вероятностных характеристик методами корреляционного анализа двумерных сигналов. От двумерной корреляционной функции ![]() ![]() ![]()
![]()
![]() Существенно, что в общем случае коэффициенты разложения корреляционной функции могут отличаться от полученных для конкретных изображений, однако отношение коэффициентов при одинаковых степенях x и y разложений ![]() ![]() Для апробации предложенной итерационной процедуры вычисления оценок вектора скорости движения и определения погрешности получаемых оценок было применено компьютерное моделирование функционирования ИИС ОПД. В качестве изображений подстилающей поверхности использовались фрагменты поверхности Земли типа «Река», «Горы», корреляционные функции которых имели вид (18) – (19). Первая серия компьютерных экспериментов проводилась без учета случайного шума в видеосигнале. Учитывалось только дискретное по пространству и времени представление сигналов. Эксперименты проводились для случаев:
Были получены следующие результаты на множестве более тысячи реализаций:
![]()
![]() Сходимость зависит от типа изображения. При ![]() ![]()
![]() 4. Экспериментально показано, что при сложном движении компоненты ![]() ![]() ![]() 5. Проведены компьютерные эксперименты по оценке области сходимости итерационного метода по начальным данным и скорости сходимости. Результаты экспериментов сравнивались с результатами, полученными модифицированным методом наискорейшего спуска по критерию минимума квадрата попиксельной разности совмещаемых изображений (рисунки 7,8). ![]() ![]() Во второй серии экспериментов дополнительно в видеосигнал аддитивно добавлялся шум с равномерной плотностью распределения. Этим моделировался шум тракта преобразования видеосигнала. Считалось, что шум не коррелирует с видеосигналом ни по x, y, ни по t. Целью моделирования являлось исследование влияния амплитуды плотности распределения шума Аш на точность и быстродействие ИИС ОПД (рисунок 9). ![]() Эксперименты проводились при начальном смещении окон анализа, равным пяти пикселям для плоско-параллельного движения, десяти градусам для поворота при максимальном размахе видеосигнала 256 емр (емр – единица младшего разряда цифрового представления видеосигнала). При этом необходимое количество итераций не превышает 7 – 9 для плоско-параллельного и 10 – 12 для поворота изображения подстилающей поверхности. Проведенные эксперименты показали работоспособность метода в случае сложного движения и его существенное преимущество по точностным характеристикам и диапазону измеряемых величин с другими известными методами. На основе полученных данных была разработана бортовая ИИС ОПД, содержащая блок СУППИ со структурой, представленной на рисунке 2. Получена оценка быстродействия бортовой ИИС ОПД. Быстродействие складывается из времени формирования двух кадров изображения (время запаздывания) и времени вычислений компонент вектора скорости. Время формирования кадров определяется топологией приемника изображений, типом используемых ПЗС - матриц и способом формирования изображения кадра. В рассматриваемой системе для формирования двух кадров использованы две ПЗС - матрицы размером 102432 пикселя, работающие в режиме ВЗН. Расстояние между матрицами равно 288 пикселей. Время вычислений определяется сложностью алгоритма и быстродействием вычислителя. Это время при реализации вычислений на нейро - матричном процессоре типа 1879ВМ2 составляет не более 12 мс при минимальной скорости движения изображения (28 мм/с) и 3 мс при максимальной скорости движения изображения (132 мм/с). Заключение
2. Предложен вариант метода функциональных преобразований параметров инвариантный к изменению интенсивности освещенности подстилающей поверхности. 3. Реализован и опробован итерационный метод определения параметров движения изображения подстилающей поверхности обладающей тремя степенями подвижности, инвариантный к изменению интенсивности освещенности яркостного объекта. 4. С учетом результатов аналитического и экспериментального анализа сходимости итерационной процедуры определения движения проведена оптимизация параметров (размер окна анализа, матрица коэффициентов обратной связи) ИИС ОПД, которая позволила существенно (в 3-5 раз) расширить область сходимости по начальным данным и уменьшить (в 5 и более раз) количество итераций итерационного процесса. 5. Предложена модифицированная структура быстродействующей прецизионной системы определения параметров движения изображения подстилающей поверхности, отличающаяся возможностью расширения диапазона измеряемых скоростей, повышения быстродействия и инвариантностью к изменению освещенности наблюдаемой сцены. Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.03 ГОУ ВПО Самарский государственный технический университет (протокол № 6 от 7 мая 2008 г.) Заказ №145 Тираж 100 экз. Отпечатано на ризографе. ГОУВПО Самарский государственный технический университет Отдел типографии и оперативной печати 443100 г. Самара ул. Молодогвардейская, 244
|