Введение к работе
Актуальность темы. Создание приборов и информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) мониторинга состояния объектов в современном ядерном приборостроении, отвечающих требованиям текущего развития экономики страны, является необходимым условием для эффективного функционирования любых секторов экономики атомной промышленности. Это обусловливается структурными и динамическими свойствами потребительского качества ИИУС, которые определяют характер безопасной эксплуатации объектов использования атомной энергии (ОИАЭ) и других потенциально опасных объектов. Важной задачей для многих отраслей промышленности является постоянное улучшение методов, позволяющих разрабатывать сложные многомерные имитационные математические модели для создания специальных ИИУС, прослеживающих движущийся объект с заданной точностью, способных определить текущее положение диагностируемого объекта и предсказать его новое положение.
Примерами ИИУС для контроля перемещения движущего объекта являются устройства наведения на цель, навигационные приборы, системы автоматического позиционирования различных механизмов в промышленном производстве и в робототехнике, охранные видеосистемы. Применительно к ОИАЭ, особый интерес представляет возможность слежения за перемещением таких объектов как механические манипуляторы, оперирующие с радиоактивными предметами; люди или машины, находящиеся в охраняемой зоне ОИАЭ; специальные маркеры, автоматически считываемые с контейнеров с радиоактивными материалами при прохождении системы контроля и т.п.
Таким образом, актуальность темы настоящей диссертационной работы в научном плане определяется развитием и совершенствованием способов создания информационно-измерительных и управляющих систем оптического контроля и мониторинга ядерной безопасности, которые необходимы для поддержания безопасности ОИАЭ и других целей промышленной диагностики. Актуальность данной работы подтверждается тем, что исследования выполнялись в рамках ГНТП «Технологии, машины и производства будущего», «Управляемый термоядерный синтез и плазменные процессы»; ФЦП «Национальная технологическая база» и «Интеграция науки и высшего образования России»; инновационных НТП «Радиационные комплексы и технологии для научного приборостроения, медицины, производства товаров народного потребления», межотраслевой программы сотрудничества между Федеральным агенством по атомной энергии и Минобразования и науки России; грантов Минобороны и Росатома в области фундаментальных и поисковых НИР; проектов МНТЦ и др. Важность поиска решения задач данной научной тематики подтверждается тем, что их решение содействует выполнению исследований по направлению «Экологически чистая энергетика» Федеральной научно-технической программы «Исследование и раз-
работка по приоритетным направлениям развития науки и техники гражданского направления», утвержденной постановлением Правительства РФ № 1414 от 23.11.96 и «Программы развития атомной энергетики РФ на 1998-2005 годы и на период до 2010 года», утвержденной постановлением Правительства РФ № 815. К началу выполнения данной работы были проведены отдельные исследования по созданию способов численного эксперимента, содержащих данные по динамическому поведению измерительных систем для обнаружения движущихся объектов в целях создания новых совершенных изделий ядерного приборостроения. Эти исследования были выполнены в НИЦ СНИИП, РНЦ «Курчатовский Институт», НПО «Маяк», РФЯЦ-ВНИИЭФ, ИПУ им. В. А. Трапезникова РАН, ГП ВНИАЭС, в ряде других научных и учебных заведений известными исследователями в области создания и производства приборов и измерительных систем, такими как Н. П. Алешин, П. А. Александров, В. М. Баранов, В. Г. Волков, В. Г. Гнеденко, Э. А. Магидов, Т. Г. Самхарадзе, К. С. Стась, В. М. Струнников, С. Б. Чебышев, Г. В. Яковлев и рядом других. Появление в последние годы недорогих персональных компьютеров и оптических видеокамер позволило, во-первых, сформулировать принципиально новые задачи перед разработчиками ИИУС, во-вторых, поставить на научную основу новые технологии создания и сертифицирования образцов и отдельных модулей информационно-измерительных и управляющих систем, в частности, ИИУС контроля за перемещением движущихся объектов в условиях производственного цикла на объектах атомной промышленности. Актуальность данной диссертации определяется необходимостью дальнейшего проведение целенаправленных научных исследований по созданию современных изделий ядерного приборостроения.
Целью работы являлась разработка и улучшение ИИУС с высокой степенью информационного потенциала для обнаружения движущихся объектов на базе методов анализа видеорядов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
Анализ достоинств и недостатков существующих методов, в основе которых лежит механизм слежения за движущимися объектами.
Создание алгоритмов прослеживания граничного контура объекта по серии кадров видеоряда, имеющих минимальное количество настраиваемых параметров и обеспечивающих близость между вычисленным и реальным граничным контуром объекта на каждом кадре.
Моделирование новых образцов ИИУС контроля перемещения движущегося объекта, наблюдаемого с помощью оптической видеокамеры, путём создания прототипа системы в виде программы для ЭВМ.
Разработка методов оценки качества новых образов ИИУС для контроля движущихся объектов на основе оптической видеокамеры по результатам экспериментальных испытаний.
Положения выносимые на защиту
Результаты анализа достоинств и недостатков существующих систем видеонаблюдения и постановка задачи на создание ИИУС нового поколения для мониторинга состояния перемещающихся объектов.
Комплексный алгоритм прослеживания граничного контура объекта, использующий заданную модель движения для ограничения межкадровых деформаций контура и цветовые распределения областей объекта и фона, способы и методы обработки измерений составляющие его основу:
Метод включения заданной модели движения в функционал энергии подвижного контура.
Метод балансировки различных членов функционала энергии.
Метод предсказания положения контура объекта на новом кадре.
Метод поиска корреспонденции между точками нового кадра и контрольными точками контура.
Метод автоматического выбора разрешения гистограмм эмпирических цветовых распределений объекта и фона.
3. Способ прослеживания цветного объекта, минимизирующий энтропию
классификации:
Метод построения дискретной энтропии, учитывающей конечность количества точек составляющих объект и фон.
Метод построения контура объекта на новом кадре по карте вероятностей, полученной классификацией точек на объектные и фоновые.
Личный вклад автора заключается в:
улучшении существующих методов прослеживания объектов;
разработке теоретических основ новых подходов к задаче слежения;
непосредственном участии в работах по созданию и верификации программных средств контроля за перемещением движущихся объектов, в РНЦ «Курчатовский Институт», компании ГУП НПЦ «Элвис» и Институте Передовых Технологий компании Самсунг (SAIT).
Изложенные в диссертации результаты получены лично автором или при его непосредственном участии.
Методы исследований, достоверность результатов. В работе использованы методы цифровой обработки изображений, теории вероятностей и математической статистики, теории управления, теории оптимизации, вычислительной линейной алгебры, а также методы проектирования программных средств. Достоверность результатов обеспечивается использованием теоретически обоснованных моделей и согласованностью полученных данных с результатами экспериментов.
Научная новизна
Предложен эффективный механизм ограничения межкадровых деформаций контура, который заставляет объект следовать заданной модели движения. В отличие от аналогичных подходов, известных в литературе, предложенный метод не только прост и математически прозрачен, но и легко интегрируется с другими источниками информации об объекте, например, полученными в результате обучения на специально подобранных видеорядах.
Предложен новый способ предсказания положения объекта на следующем кадре, который учитывает заданную модель движения.
Разработан метод автоматического выбора разрешения гистограмм в алгоритмах прослеживания объекта по серии цветных изображений.
Предложен оригинальный метод прослеживания объекта по серии цветных изображений, в котором точки нового кадра классифицируются на объектные и фоновые согласно критерию минимума энтропии.
Практическая ценность работы состоит в создании новых образцов ИИУС, реализующих возможность использования предложенных методов слежения в промышленных, навигационных и медицинских технических устройствах, а также в специальных приложениях. Разработанные в рамкам представленной работы алгоритмы и их отдельные модули апробированы и нашли практическое применение в действующих системах видеонаблюдения и визуальной диагностики, а также в программе Claxa, используемой для редактирования видеосюжетов.
Апробация работы. Основные и вспомогательные результаты диссертационной работы докладывались на следующих научных конференциях:
6-й Объединённой конференции по информационным наукам JCIS (Северная Каролина, США, 2002);
7-й Международной конференции по цифровой обработке изображений DICTA (г. Сидней, Австралия, 2003);
12-й Международной конференции по машинной графике, визуализации и компьютерному зрению WSCG (г. Плзен, Чехия, 2004);
Международной конференции по электронной обработке изображений, IS&T/SPIE Electronic Imaging (г. Сан-Хосе, США, 2004).
Публикации. Основные и вспомогательные результаты диссертационной работы были опубликованы в журналах: Вопросы атомной науки и техники; Вопросы радиоэлектроники; в трудах международных конференций.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырёх основных глав с описаниями алгоритмов, главы с описанием экспериментальных результатов, заключения, списка цитируемой литературы
из 111 наименований, дополнительных приложений и акта о внедрении. Работа содержит 150 страниц, включает 38 рисунков и 2 таблицы.
