Введение к работе
Актуальность темы. Новое поколение робототехнических систем характеризуется повышенной мобильностью, активным взаимодействием с внешней средой, расширенными способностями приспособления к сложному, неопределенному и подвижному окружению.
Наибольший объем информации, как правило, содержится в видеосигнале, поэтому закономерно оснащение мобильных роботов системами технического зрения (СТЗ). В ряде случаев время пребывания робота в месте сбора информации ограничено, а ценность полученных изображений сцены весьма велика, вследствие чего возникает проблема автоматической видеосъемки окружающей среды.
Перспективным направлением развития систем видеомониторинга является совмещение в одной системе свойств автоматизации обнаружения несанкционированного проникновения на наблюдаемую территорию и панорамирования. В подобной системе целесообразно реализовать режим автоматического сканирования местности и обнаружения на сцене посторонних объектов, а по команде оператора осуществлять формирование полноценного панорамного изображения, на котором можно с большим разрешением рассматривать зону нарушения.
При наблюдении за объектами важна не только общая информация об объекте, но и фиксация изменений сцены, что имеет место при наблюдении за определенными событиями, природными явлениями или работой механизмов. Для решения подобных задач в последнее время стали применятся панорамные оптико-электронные устройства наблюдения (ПОЭУН), работающие в угловом поле 360 по азимуту и десятки градусов по углу места. В качестве ПОЭУН используются камеры с вращающимся объективом, с шарнирным мотором, цифровые сканирующие камеры, мультикамерные системы. Недостатками этих устройств являются ограниченные мобильность и автономность, наличие оператора, большие размеры, вычислительная сложность анализа изображений панорамы.
Панорама может быть сформирована в виде одного файла с использованием одного панорамного объектива, например типа «рыбий глаз», или сшиваться из отдельных кадров (файлов), полученных при последовательном сканировании сцены.
Использование ПОЭУН в СТЗ на местности ставит задачи обеспечения автономности, быстродействия, автоматизации принятия решения с учетом изменений окружающей среды.
Анализ панорамы возможен только после её получения с достаточным для конкретной задачи разрешением. На практике системы телевизионного типа зачастую не обеспечивают нужное разрешение или технически трудно реализуемы. Панорамы, сшитые из отдельных изображений, обладают большей информационной емкостью. Для анализа панорамы необходимо получить отдельные её элементы приемлемого качества. На характеристики формируемого изображения наибольшее влияние оказывают погрешности, даваемые средой распространения оптического сигнала, объективом и фотоприёмным устройством.
В настоящее время рядом фирм разработано программное обеспечение для совмещения цифровых снимков в панорамное изображение, недостатками которых является наличие оператора, большая вычислительная мощность и низкое быстродействие.
Объектом исследования диссертационной работы являются физико – механические процессы формирования цилиндрических панорам в оптически неоднородных средах с использованием ПОЭУН.
Предметом исследования диссертационной работы являются параметры оптико – электронных устройств, влияющие на качество изображения, с учётом дисперсности оптической среды при формировании панорамы.
Вопросами проектирования оптических и оптико-электронных устройств наблюдения занимались отечественные и зарубежные ученые Р. Гонсалес, Г.Н. Грязин, Р. Вудс, Г.П. Катыс, Н.В. Кравцов, М.М. Мирошников, А. Папулис, В.Л. Поляченко, У Прэтт, В.М. Смелков, В.С. Титов, Л.Е. Чирков, Л.П. Ярославский и др. В известных трудах по объекту исследования разработаны методы математического моделирования оптико-электронных устройств. Общая теория распространения излучения видимого диапазона в неоднородных средах отражена в работах В.Е. Зуева, А. Исимару, Н. Н. Красильникова, Г.В. Ван – де – Хюлст Г . и др. В них решается задача оценки границ применимости методов исследования процессов распространения и рассеяния оптического излучения при различных метеорологических условиях.
В диссертационной работе предлагается общий подход к формированию панорамного изображения на основе электронно – оптического устройства кругового сканирования с фотоэлектронным преобразователем (ФЭП) типа КМОП (комплементарный металл-оксид – полупроводник), который опирается на аналитические методы математического моделирования оптической среды с учетом рассеяния света в неоднородной среде. Математическое описание формирования панорамного изображения разработано с применением геометрической, проекционной и атмосферной оптики, теории рассеяния света малыми частицами.
Цель диссертационной работы состоит в повышении качества панорамного видеонаблюдения оптических информационных систем за счет учёта рассеяния света в неоднородной среде.
Реализация поставленной цели включает решение следующих задач.
-
Разработка и анализ общей структуры системы технического зрения.
-
Исследование эффектов распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах.
-
Анализ зависимостей фактора эффективного рассеяния от размера частиц атмосферных аэрозолей для монохроматических длин волн оптического диапазона.
-
Анализ влияния внешней среды на качество изображения.
-
Разработка методики сшивания панорамного изображения и реализация метода сшивания изображений в панораму с использованием программно-математического комплекса.
-
Разработка устройства для кругового сканирования с программной компенсацией поворота изображения.
-
Разработка методики обработки изображения с учётом влияния искажений, вносимых средой распространения оптического сигнала при различных погодных условиях.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
-
На основании моделей распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах проведен анализ зависимостей фактора эффективного рассеяния от размера частиц атмосферных аэрозолей для монохроматических длин волн оптического диапазона.
-
Установлена зависимость качества (контраста) изображения от параметров атмосферных аэрозолей.
-
Разработана методика сшивания панорамного изображения, которая реализована с использованием программно-вычислительного комплекса.
-
Разработана методика обработки панорамных изображений, полученных устройством для кругового сканирования с программной компенсацией поворота изображения при различных типах аэрозолей.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные методики формирования и сшивки изображения при проектировании устройства кругового сканирования позволяют производить сканирование пространства при обеспечении неподвижности матричного ФЭП и применять его в качестве средства наблюдения местности.
Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей ПОЭУН, оптических систем и матричного ФЭП, экспериментальными исследованиями панорамного изображения, а также внедрением результатов на предприятии и получением Патента на полезную модель №88822 «Устройство для кругового сканирования».
Научные положения, выносимые на защиту.
-
Модель и общие зависимости распространения и рассеяния оптического излучения в случайно неоднородных средах.
-
Зависимость качества изображения от параметров атмосферных аэрозолей.
-
Методика сшивания панорамного изображения и реализация методики сшивки изображений в панораму с использованием программно-вычислительного комплекса с учетом ослабления интенсивности излучения на неоднородностях внешней среды.
-
Методика обработки панорамных изображений, полученных устройством для кругового сканирования с программной компенсацией поворота изображения при различных типах аэрозолей.
-
Программно – вычислительный комплекс для получения цилиндрической панорамы при различных погодных условиях.
Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации методы и методики реализованы автором в процессе выполнения совместных работ с ООО ТПП «Конус».
Результаты внедрены в учебный процесс на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тульский государственный университет» при преподавании следующих дисциплин: «Основы информационных устройств роботов», «Основы технического зрения и цифровой обработки изображений».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.
-
Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы проектирования и производства систем и комплексов» ТулГУ. - Тула: ТулГУ, 2008.
-
XXVII Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: ТулГУ, 2009.
-
Всероссийская научно-техническая конференция «Интеллектуальные и информационные системы» ТулГУ. - Тула: ТулГУ, 2009.
-
Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ТулГУ, 2009, 2010 гг.
-
VI Международная (XVII Всероссийская) конференция по автоматизированному приводу АЭП-2010, Тула – ТулГУ, 2010.
Публикации. По теме диссертации опубликовано Патент на полезную модель №88822 и 21 статьи, включенных в список литературы, в том числе: 14 статей, представляющие собой материалы межрегиональных научно-технических конференций, 3 статьи, опубликованные в сборнике, рекомендованном ВАК РФ для публикации материалов кандидатских диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 143 страницах машинописного текста и включающих 58 рисунков и 13 таблиц, трех приложений на шести страницах и списка использованной литературы из 144 наименований.
