Адаптивное оптико-электронное устройство определения параметров динамических объектов на сложном фоне Рубанов Алексей Федорович

Содержание к диссертации

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
УСТРОЙСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ 12

1 .L Построение оптико-электронных устройств определения параметров

динамических объектов уз

1.2. Методы выделения динамических объектов [5

L2.K Методы, основанные па вычислении Бзац_шю__К0рр_ЄЛЯІщ_ОННок
функции двух полей изображения ^-^,

1. Методы пространственно-временной обр^б_отки 21

2. Методы цифровой обработки изображение, используемые для выделения динамических объекгов .„7т.„. 24

1.4, Определение параметров динамических объектов 27

1,4.1. Определение пространственных координат .Т^ 30

1.5. Телевшионньте наблюдения в сложных усл_овиях 36

Выводы 40

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ДИНАМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПО ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯМ
СТЕРЕОИЗОБРАЖЕНИЙ 42

1. Математическая модель определения параї,_ІЄЇр₀в динамических объектов 42

2. Математическая модель процесса формнро_вашзя изображений

МЭТрИЧНЫМ фоТОЧуВСТВИТеЛЬНЫМ Прибором С З^рдщоцой связью 52

23. Метод выделения динамических объектов. 60

w 23.1. Исследование изображений сцен и построение функции

принадлежности пикселя изображения динамическому объекту 61

232. Алгоритм определения формального контура объекта 71

24. Представление динамических объектов и определение их

параметров » 76

Выводы 79

ГЛАВА 3. ТЕХНИЧЕСКИЕ, ПРОГРАММНЫЕ И ИНФОРМАЦИОНПЫЕ
СРЕДСТВА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ 81

3.1. Метод адаптации матричного фоточувствительного прибора с

зарядовой связью 81

33. Алгоритм функционировании и структура микропроцессорного
устройства определения параметров динамических объектов 86

3.3.1, Вычисление матрицы коррекции фильтра Калмана 94

3.3.2. Выделение динамических областей изображении с помощъю

межкадровой разности 96

33.3. Определение предельных значений относительной дальности и

скорости динамического объекта Ї00

Выводы 102

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ
ПОЛОЖЕНИЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ
ОБЪЕКТОВ 104

4.L Описание экспериментальной установки 104

2. Методкйй егмвггерста мета 105

3. Результаты экспериментальных исследовании 109

43.1. Сравнение методов выделения динамических объектов 109

4. Определение коо_рдц_пат относительного центра динамического объекта , 1 [ 1

5. Вероятность обнаружения динамических объектов U2

6. Определение простреленных координат объекта 113

4.4. Реализация устройства адаптации фотоэлектронного
преобразователя 114

1. Автоматическая регу_лир_0вка экспозиции методом последовательного приближения 114

2. Автоматическая регулировка экспозиции методом мгновенного

приближения 119

Выводы 122

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1

ЛИТЕРАТУРА 126

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение к работе

Актуальность. Особое место в раскрытии проблемы восприятия, интерпретации и описания движения объектов занимает задача слежения. Необходимость слежения за динамическими объектами и определения параметров их движения объясняется большим количеством практических приложении, например, при определении параметров движения автотранспорта, при проведении испытаний для обеспечения безопасности движения воздушных и морских объектов, при обработке и реализации взаимодействия этих объектов между собой.

При этом важной задачей является автоматическая регистрация, отслеживание относительного перемещения и определение параметров динамических объектов, расположенных в поле зрения устройства. Решения данной задачи существенно различаются по сложности в зависимости от вида отслеживаемого объекта и фона. Простейшей задачей можно считать слежение за точечным объектом (постоянных размеров) на статическом фоне при отсутствии помех. Наиболее сложной, и в тоже время часто решаемой задачей, является слежение за расположенными на сложном динамическом фоне пространственными многотоновыми объектами, размеры и конфигурация которых изменяются в процессе слежения за ними. Особое внимание уделяется организации наблюдений в сложных условиях внешней освещенности, под которыми понимается как пониженная, так и повышенная освещенность, а также условия, когда освещенность можег изменяться в течение некоторого промежутка времени.

Современный этап развития техники характеризуется преимущественным использованием плоских систем визуализации изображений. В то же время возникает множество проблемных вопросов, связанных е анализом изображений, которые не могут быть решены или

решаются с потерей качественных показателей и времени без знания пространственных характеристик объекта. Плоская проекция не является реальным отображением действительности. Часть информации о первичном изображении, несмотря на высокое качество, как правило, теряется. Отсюда возникает объективная необходимость в создании устройств, которыми эта информация будет обрабатываться.

В таких устройствах должны рационально сочетаться оптические и электронные методы обработки, что позволит создать высокоэффективные и достаточно быстродействующие системы технического зрения, отвечающие следующим требованиям:

обеспечение достоверности при слежении за сложными объектами, основные параметры которых могут изменяться в процессе слежения;

простота конструкции;

надежность в эксплуатации;

функционирование в реальном масштабе времени.

Таким образом, в настоящее время б различных областях науки и техники, многих отраслях промышленности возникла необходимость в создании адаптивных к изменению внешней осветценности устройств определения параметров динамических объектов, расположенных на сложном фоне, в реальном масштабе времени, с одновременным снижением затрат на реализацию.

На основании изложенного следует заключить, что направление диссертационное исследования является актуальным и перспективным.

Диссертационная работа выполнялась:

- по гранту по фундаментальным исследованиям в области
автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики,
кибернетики, метрологии, связи №1.11.98;

^ 7

- по единому заказ-наряду, финансируемому Министерством
образования Российской Федерации из средств федерального
бюджета, тема №1.1.00 «Теоретические основы и аппаратная
реализация оптико-электронной системы распознавания образов,
работающей в статическом и динамическом режимах» (гос. per.
№01970002856).

Целью работы является создание оптико-электронного устройства, обеспечивающего автоматическую регистрацию и определение в реальном масштабе времени параметров динамических обьектов, расположенных на сложном фоне.

Основные іадачи в соответствии с целью работы состоят в:

анализе современного состояния и определении требований к характеристикам и структурно-функциональной организации адаптивных оптико-электронных устройств (ОЭУ);

разработке математической модели для определения основных параметров динамических объектов;

разработке метода определения параметров динамических объектов на фоне сложных помех;

разработке структурно-функциональной организации и путей технической реализации адаптивного оптико-электронного устройства.

Методы исследования, В процессе выполнения работы применялись аналитические и экспериментальные методы исследований, а также аппарат матричной алгебры, статистического анализа и обработки изображений, математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ.

Научная новизна работы:

1. Разработана математическая модель, которая декомпозирована на модель канала динамики, характеризующую изменение состояния объекта (его фазовую траекторию) во времени, и модель канала измерении,

характеризующую процесс измерения его фазовых координат в пространстве состояний, позволяющая адекватно описать процесс определения параметров динамических объектов.

2. Разработан метод адаптации оптико-электронного устройства к
изменяющейся внешней освещенности, основанный, на параметрической
адапгации фотоэлектронного преобразователя (ФЭП) на многоэлементном
фоточувствительном приборе с зарядовой связью (МФПЗС), обеспечивающий
стабилизацию уровня выходного сигнала оптико-электронного прибора
(ОЭП) за время одного опроса (время кадра) и расширение динамического
диапазона устройства.

3, Созданы алгоритмы функционирования и способ структурно-
функциональной организации адаптивного оптико-электронного устройства,
позволяющего определить параметры динамических объектов,
расположенных в ноле зрения на сложном фоне.

Практическая ценность; - - разработаны функциональные схемы, обеспечивающие адаптацию устройства к изменяющейся внешней освещенности,

— разработана оригинальная функциональная схема оптико-электронного устройства, позволяющего определить параметры динамических объектов с учетом сложности фона.

Результаты проведенных в диссертационной работе теоретических исследований доведены до уровня инженерных формул и алгоритмов, что позволяет их использовать при проектировании устройств определения параметров динамических объектов различного назначения, в том числе слежения т транспортом, контроля процесса сближения космических аппаратов. Оригинальность предложенных технических решений защищена патентами РФ.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы на ОАО «Электроаппарат» при создании устройства автоматической регистрации и отслеживания перемещении движутцихся объектов, в изделиях ООО «ДПК Группа» при построении систем видеонаблюдения, в учебном процессе КурскГТУ для студентов специальности 220100 - «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети», в частности, в курсах "Оптико-электронные приборы" и "Метрология и измерительная техника".

Акты внедрения прилагаются к материалам диссертации, Ап робад и я _ i>a боты. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

V НТК с международным участием "Материалы и упрочняющие технологии - 97", Курск, 1997г.; III международной конферендии "Распознавание - 97", Курск, 1997г.; Всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1997г.; IV всероссийской НТК "Состояние и проблемы технических измерений", Москва, 1997г,; Международной технической конференции "Медико-экологические информационные системы", Курск, 1998.; VI Российской НТК "Материалы и упрочняющие технологий - 9Й", Курск, 1998г,; X юбилейной НТК с участием зарубежных специалистов, "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1998г,; XI НТК, "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления", Гурзуф, 1999г.; IV меящународной конференции "Распознавание -99", Курск, 1999г.; 2 международной научно-теоретической и практической конференции "Проблемы и перспективы автоматизации производства и управления" Ташкент, 1999г.; 6 всероссийской научно-технической конференции "Состояние и проблемы распознавания*'. Москва, 1999г.; Международной научно-технической конференции "Медико-экологические информационные

.&

технологии - 2000^ті. Курск, 2000г.; 5-международной научно-технической конференции "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии". Самара, 2000г.; ХШ НТК "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" Гурзуф, 2001г.; научно-технических семинарах кафедры Вычислительной техники КГТУ в течение 1999-2002 гг. обучения в аспирантуре и других международных и Российских конференциях.

Публикации. Основные результаты выполненных исследований и разработок опубликованы в 26 печатных работах, получено 3 патента Российской Федерации, в соавторстве написана монография, изданная за рубежом. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателем разработаны: в [82, 111, 112] — метод и структурно-функциональная организация устройства быстрой адаптации оптико-электронного устройства к изменяющейся внешней освещенности, в [82, 98, 102, 103] - структурно-функциональная организация адаптивного оптико-электронного устройства определения параметров динамических объектов,

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 112
наименований, и приложения, изложена на 135 страницах и поясняется 39
рисунками н 5 таблицами. /9^

На защиту выносятся: ^^

* 1. Математическая модель процесса определения параметров динамических объектов, расположенных в поле зрения системы на сложном

2. Метод быстрой адаптации фотоэлектрического преобразователя к

изменяющейся внешней освещенности,

3. Структурная схема и алгоритмы функционирования адаптивного оптико-электронного устройства определения параметров динамических объектов на сложном фоне в реальном масштабе времени.

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулированы цели и задачи проводимых исследований, определена научная новизна, практическая ценность полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор и анализ современного состояния
методов выделения динамических объектов и способов определения их
параметров. Рассмотрена возможность применения основных методов
цифровой обработки изображений для удаления избыточной информации при
выделении динамических объектов. Для быстрой адаптации ОЭУ к
изменениям внешней освещенности предложено использовать
параметрическую адаптацию ФЭП. ^j

Вторая глава посвящена математическому моделированию процесса определения параметров динамических объектов.

В третьей главе основное внимание уделяется разработке технических, программных и информационных средств для определения параметров динамических объектов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований оптико-электронного устройства определения параметров динамических объектов.

В заключении сформулированы основные результаты

диссертационной работы, ^^

_«г

Похожие диссертации на Адаптивное оптико-электронное устройство определения параметров динамических объектов на сложном фоне

Быстродействующее оптико-электронное устройство определения пространственных параметров динамических объектовСпеваков Александр Геннадьевич

Метод, алгоритмы и бинокулярное оптико-электронное устройство с переменным фокусным расстоянием для трехмерного зрения мобильного транспортного роботаПолунин Александр Владимирович

Многофункциональное оптико-электронное устройство распознавания дорожной информацииПрилуцкий, Сергей Викторович

Метод и модели создания встраиваемых оптико-электронных устройств распознавания изображений в многомерном пространстве признаковТитов, Дмитрий Витальевич

Метод, алгоритмы и специализированное оптико-электронное устройство для вычисления флотационной активности реагентовКозлов, Павел Станиславович

Оптико-электронное устройство распознавания многоконтурных объектов на основе нечеткой логикиТевс Сергей Станиславович

Адаптивное оптико-электронное устройство автоматической трехмерной калибровки на основе нечеткой логикиТруфанов Максим Игоревич

Быстродействующее оптико-электронное устройство распознавания изображений объектов на основе трехмерных векторных эталоновКоростелев Сергей Иванович

Помехоустойчивое оптико-электронное устройство для вычисления малых угловых и линейных перемещенийАль-Ядуми Абдулхамид Абдулкарем Али

Оптико-электронное интерференционное устройство контроля малых угловых перемещений на основе приборов с зарядовой связьюЕмельянов, Алексей Анатольевич