Параметрическая оптимизация информационно-измерительной системы определения параметров движения изображения подстилающей поверхности
Скачать 279.88 Kb.
|
1 2
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 КУЗНЕЦОВ Павел Константинович Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор ГРЕЧИШНИКОВ Владимир Михайлович Кандидат технических наук, доцент СВИРИДОВ Вячеслав Павлович 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. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность 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:
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 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.   В работе рассмотрена математическая модель движения изображения яркостного объекта в картинной плоскости оптической системы, на основе которой ранее было получено уравнение движения изображения точки, находящейся на изображении подстилающей поверхности, которое для рассматриваемого в данной работе случая имеет вид: , (1)где  – вектор столбец, компоненты которого являются координатами изображения точки в картинной плоскости оптической системы;  – фокусное расстояние оптической системы;  – кососимметричная матрица, элементы которой являются проекциями вектора  угловой скорости носителя оптической системы на оси связанной с носителем оптической системы координат;  - вектор смещения главной точки оптической системы относительно центра масс оптической системы;  – матрица косинусов углов между осями систем координат, связанных с яркостным объектом и носителем оптической системы;  – вектор поступательной скорости движения носителя оптической системы;  , где  – матрица-строка, являющаяся третьей строкой матрицы  ;  – расстояние от центра масс носителя оптической системы до яркостного объекта.Согласно методу функциональных преобразований в окне анализа задается функционал  , например мультипликативного типа: (2)где D – односвязная регулярная область анализа с границей Г(D);  - непрерывная и дифференцируемая почти всюду по всем своим аргументам функция веса;  – равномерно ограниченная и дифференцируемая почти всюду по всем своим аргументам функция распределения освещенности изображения яркостного объекта. 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  - функция распределения альбедо, - интенсивность внешнего источника, облучающего подстилающую поверхность.В таком случае полная производная по времени от функционала (2) приобретает вид:  (3)где  - вспомогательная переменная, отражающая изменение функции освещенности во времени;     Г(D) – граница окна анализа D;  = [sin, -cos, 0] - матрица строка ( - локальное уравнение границы Г(D) окна анализа D);  - матрица строка.Полученное уравнение (3) является ФС - уравнением, которое связывает компоненты вектора  угловой скорости и вектора  поступательной скорости носителя оптической системы относительно яркостного объекта с временными и пространственными характеристиками изображения подстилающей поверхности в картинной плоскости оптической системы. Значения интегралов  должны вычисляться на границе окна анализа Г(D). Точное измерение значения этого интеграла не представляется возможным. Поэтому способы определения движения, вытекающие из ФС - уравнений, будут реализуемы лишь при условии, что функция веса  непрерывна и равна нулю на границе окна анализа  . Примем, что подстилающая поверхность плоская, недеформируемая и отсутствуют объекты, движущиеся на ее фоне, тогда компоненты вектора скорости могут быть вынесены за знак интеграла и уравнение (3) для движения с тремя степенями подвижности сводится к линейному алгебраическому уравнению следующего вида: , (4)где  ,  ,  - составляющие вектора скорости плоско-параллельного  и вращательного  движения в плоскости подстилающей поверхности носителя оптической системы, q – введенная выше вспомогательная переменная характеризующая освещенность сцены;b1 - b4 - коэффициенты уравнения, определяемые из выражений:  ; ; ; .Составляющие вектора  скорости движения носителя ОС определяются из системы ФС - уравнений, составленной из i уравнений типа (4), коэффициенты для каждого из которых получаются по информации из i –го окна анализа: , (5)где  - вектор-столбец; B=[bi,j] – матрица коэффициентов; P=[pi]T – вектор-столбец; i=1…N (NМ), j=M (M =1…4).Решение системы уравнений (5) может быть найдено методом квазиобращений:  . (6)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  являются простота реализации и корректность способа определения параметров движения яркостных объектов. |
1 2
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Методические указания по оформлению учебных работ студентов кафедры... Информационно-измерительной техники. Они относятся к типовым расчетам (ТР), курсовым работам (КР), выпускным работам бакалавров (врб),... | | Изображения земной поверхности Картографические проекции ~ способы изображения земной поверхности на плоскости |
| Оао «Концерн «цнии «электроприбор», Санкт-Петербург Целью работы является разработка бесконтактного ультразвукового измерителя, работающего относительно подстилающей поверхности, производящего... | | Исследование систем управления процесс определения организационной... Место исследований систем управления в комплексе дисциплин по теории и практке управления |
| Обоснование геометрических параметров формы рабочей поверхности диска... Показатели внутриглазного давления новорождённого ребёнка, обусловленные морфологическими особенностями дренажной системы глаза в... | | Ветер Сформировать понятие «насыщенный и ненасыщенный воздух», «абсолютная и относительная влажность воздуха»; выявить зависимость количества... |
| Моделирование систем и оптимизация их параметров Приложение 7 программа для численного решения дифференциальных уравнений (Basic) | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Сформировать понятия «насыщенный и ненасыщенный воздух», «абсолютная и относительная влажность воздуха». Выявить зависимость количества... |
| Протокол об информационно-коммуникационных технологиях и информационном... Договора о Евразийском экономическом союзе (далее – Договор) в целях определения основополагающих принципов информационного взаимодействия... |  | Модульная структура электронной системы для обучения программированию Интернет-технологии: язык разметки html, ссылки, абзацы, таблицы, рисунки, объекты; каскадно-стилевые таблицы css, элементы, классы,... |
| Московский энергетический институт (технический университет) ... | | «наша судьба в наших генах» Маргарита Валентиновна Алфимова Оптимизация геометрических параметров моделей на основании измерений и расчета аэродинамических характеристик |
| Программа дисциплины «Информационно-библиотечные и информационно-правовые системы» Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, а также студентов специальности 030900. 62 «Юриспруденция»,... | | Программа дисциплины «Информационно-библиотечные и информационно-правовые системы» Программа предназначена для преподавателей, ведущих данную дисциплину, а также студентов специальности 030900. 62 «Юриспруденция»,... |
| Конспект урока движения. Скорость равномерного прямолинейного движения.... Тема и номер урока в теме: Скорость равномерного прямолинейного движения. (урок 10 в теме.) | | Учебно-методический комплекс образовательной профессиональной программы... Корабельные автоматизированные комплексы и информационно-управляющие системы» по дисциплине «Информационно-управляющие комплексы... |
