Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теория оптико-электроных следящих систем 11
1.1. Структура типовой оптико-электроной следящей системы 11
1.2. Обобщенный корреляционный дискриминатор 13
1.3. Нестационарный корреляционный дискриминатор 27
1.4. Предварительная обработка изображения 31
1.5. Свойства корреляционного дискриминатора 34
1.6. Мешающие факторы 35
Глава 2. Изыскание эффективных базисов 45
2.1. Выбор базисных функций как основа проектирования инвариантного дискриминатора 45
2.2. Результаты моделирования для разных базисов 54
2.3. Нормировка дискриминационной характеристики 64
2.4. Результаты моделирования для разных нормировок 73
2.5. Измерение неаддитивных сдвигов 75
2.6. Перспективы развития 80
Глава 3. Режимы автозахвата 82
3.1. Метод расширения зоны захвата 82
3.2. Результаты компьютерного моделирования 87
3.3. Перспективы развития 93
3.4. Выводы к главе 3 96
Глава 4. Внедрение результатов работы , 98
4.1. ОКР «ОЛС-УЭ» (ФГУП «НИИ ПП») 98
4.2. НИР «Известность-И» (ОАО «Импульс») 99
4.3. ОКР «ГЛОНАСС-МЛНСС» (ФГУП «НИИ ПП») 100
4.4. ОКР «Крым-07» (ОАО «Импульс») 101
Заключение 103
Список литературы
- Обобщенный корреляционный дискриминатор
- Нормировка дискриминационной характеристики
- Результаты компьютерного моделирования
- НИР «Известность-И» (ОАО «Импульс»)
Введение к работе
Цель работы
Цель данной работы — изыскание и разработка новых эффективных методов и алгоритмов слежения за изображениями для автономных систем технического зрения (СТЗ).
Преимуществом замкнутых оптико-электронных следящих систем (ОЭСС) перед разомкнутыми, неследящими (ОЭНС), как известно, является возможность получения более широкого диапазона измерения сдвигов при использовании того же измерительного элемента (ИЭ), а также сохранение одинаковой точности измерения во всем диапазоне. Кроме этого в замкнутых системах, как правило, ниже требования к самому ИЭ, в особенности к линейности его шкалы и диапазону измерения, поскольку в данном случае он измеряет лишь ошибки слежения. Единственным важным требованием, предъявляемым к ИЭ в составе ОЭСС, является отсутствие смещения нуля, т.к. это прямо влияет на ошибку измерения сдвигов.
ОЭСС, применяемые в современных СТЗ представляют собой автоматы, все чаще использующие корреляционную обработку наблюдаемых двумерных сигналов - изображений в видимом, ИК или УФ диапазонах ЭМВ [1]. С усложнением функций подобных автоматов, при поиске для них алгоритмов обработки сложных входных сигналов приносит пользу обращение к развитому в математике понятию обобщенного сдвига, который представляет собой результат отображения трехмерного окружающего пространства в двумерный сигнал, наблюдаемый фотоприемником СТЗ. В частности, кроме аддитивного, обобщенный сдвиг сигналов может включать в себя преобразования масштаба, поворота и смены ракурса.
Измерители многомерного сдвига сигналов входят в состав навигационных систем летательных аппаратов, приборов контроля движения потоков, робототехнических устройств и других подвижных объектов. Они обеспечивают автоматическую ориентацию, определяют параметры движения путем измерения компонент сдвига в сигналах из окружающего про-
4 странства, полученных средствами активной локации, либо приборами для регистрации электромагнитных или геофизических полей [2].
Уже более полувека назад практическую навигацию обеспечивали методы и системы на базе квазигармонических радиосигналов, у которых сдвиг фазы, частоты, времени запаздывания или амплитуды в каналах приема можно прямо связать с изменениями нескольких пространственных координат. Эти же принципы реализуются в приборах активной локации, производимой с помощью сигналов известной формы [3].
Существуют и более совершенные автономные и полуавтономные навигационные и локационные системы дальнего действия, позволяющие извлекать информацию о собственных координатах из одного или нескольких сигналов хаотического состава, где она закодирована одновременно в ряде параметров пространственного и временного сдвига полей, наблюдаемых разными датчиками. Примеры - средства навигации самолетов и ракет по совокупной информации о рельефе подстилающей поверхности и текущих данных о геомагнитном поле, параметрах собственного движения от инерциальных датчиков, и т.п.
Развивающиеся сегодня следящие автоматы с СТЗ представляют уже большой класс многомерных автоматических измерителей, иногда для аэрокосмических, а чаще - для локальных применений. Подобные приборы нередко решают задачи «малой навигации» в собственных координатах подобно тому, как это делает зрительный аппарат человека или животных. Такими средствами оснащаются и узкоспециализированные устройства для контроля геометрии деталей, и роботы-манипуляторы, требующие векторного управления с координатной обратной связью по нескольким степеням свободы. Главная особенность этих устройств заключается в использовании яркостных полей в качестве двумерных входных сигналов - изображений.
В зависимости от числа точек в трехмерном пространстве, из которых СТЗ производит регистрацию изображений, их обработка в системе позволяет с той или иной точностью решать задачи трехмерной ориентации.
Одной из основных задач, решаемых СТЗ, является задача измерения простых или обобщенных сдвигов между изображениями. Как правило, одно из изображений фиксируется, а затем используется в качестве эталонного, а другое поступает в процессе измерений и называется текущим. Измеритель, или дискриминатор сдвигов измеряет величину «своего» сдвига, и при этом должен обладать инвариантностью по отношению к «чужим», не подлежащим измерению параметрам сигнала. Дискриминатор служит измерительным звеном в следящей системе, назначение которой -компенсировать измеренный сдвиг при помощи электронных или механических исполнительных элементов.
В случае сигналов хаотического состава, форма которых заранее не известна, менее критичным к вариации формы оказывается тот или иной корреляционный дискриминатор (КД), использующий их корреляционное сравнение [4].
Можно выделить два основных класса КД - поисковые и беспоисковые.
1. Поисковые КД. [5] Их работа основана на поиске максимума взаимно корреляционной функции (ВКФ) эталонного и текущего изображения, путем перебора сдвига одного из изображений по всем возможным значениям с заданным шагом. ВКФ двух изображений X(z) и Y(z, s), (где z = [zi, z2] - вектор координат точки в двумерном пространстве, as- вектор сдвига) называется функционал
Kxy(s)=\x(z)-Y(z,s)dz
интеграл берется по области R, называемой рабочим полем СТЗ. Полезным свойством такого метода является равномерная точность измерений во всем диапазоне сдвигов, зависящая от величины шага поиска (при отсутствии краевых эффектов, когда сдвинутое изображение выходит за пределы поля зрения системы). Это свойство не так принципиально для ОЭСС, находящейся в режиме слежения, однако может оказаться полез-
6 ным на начальном этапе захвата, когда контур еще не замкнулся и не скомпенсировал имеющееся рассогласование. Основным недостатком поисковых алгоритмов является большой объем вычислений, растущий пропорционально величине диапазона измерения сдвигов и точности измерения, и экспоненциально увеличивающийся при увеличении размерности измеряемого обобщенного сдвига. При пошаговом поиске существует также риск пропустить истинный максимум корреляционной функции, если он окажется слишком узким и попадет в промежуток между шагами. Кроме этого, такой метод чувствителен к посторонним сдвигам, не участвующим в измерении. Подобные методы широко используются в алгоритмах компенсации движения при сжатии цифровых видеопоследовательностей (например, в стандартах MPEG [6]).
2. Беспоисковые КД. [7] Их работа основана на вычислении взаимной корреляционной функции изображений подвергнутых ортогональной фильтрации. В результате, максимум ВКФ превращается в точку перехода функции через ноль, и измеряемый сдвиг будет пропорционален значению ВКФ в некоторой окрестности этой точки. Выбором подходящих операторов фильтрации изображений можно обеспечить необходимый диапазон измерений сдвига, а также некоторую инвариантность к посторонним сдвигам. Преимуществами таких методов являются: высокое быстродействие (объем вычислений пропорционален только размерности сдвига), и высокая точность измерения сдвига, не зависящая от дискретности шагов сдвига или размера пикселей изображения. К недостаткам можно отнести то, что без применения дополнительных ухищрений, диапазон измерения сдвигов будет ограничен. Кроме этого, и диапазон и точность измерения сдвигов, будут варьироваться в зависимости от структуры изображения, даже, несмотря на наличие сглаживающей фильтрации. Как уже было сказано, этот недостаток явно не проявляется при работе дискриминатора в составе ОЭСС, однако может привести к уменьшению размеров области захвата и удержания системы.
Данная работа посвящена повышению эффективности алгоритмов, принадлежащих к классу беспоисковых КД. Она является продолжением
7 работ профессора Васильева Д.В. [8] и его учеников [9,10] по теории беспоисковых корреляционных дискриминаторов. Их алгоритмы нашли свое применение в ТВ-головках самонаведения управляемых авиационных боеприпасов [64] и были успешно испытаны в корреляционных измерителях скорости поездов [11].
Пути развития теории оптико-электронных следящих систем
В системах самонаведения боеприпасов была успешно решена задача удержания оптической оси на заданной точке прицеливания, находящейся на сложном изображении при наличии масштабных сдвигов, вызываемых сближением боеприпаса с поверхностью земли [12]. Однако эти методы требуют дальнейшего развития в следующих направлениях:
Повышение быстродействия слежения и его инвариантности к структуре наблюдаемых изображений, для создания более универсальных следящих систем, обеспечивающих сопровождение широкого диапазона целей, в том числе и с борта компактных, быстродвижущихся летательных аппаратов. Этого можно добиться путем уменьшения форматов рабочего окна, оптимального выбора структуры фильтрующих операторов дискриминатора, методов его нормировки, использования алгоритмов автоматической адаптации параметров дискриминатора к структуре изображения.
Слежение за объектами, движущимися относительно неоднородного фона. При этом фон, попадая в рабочее окно дискриминатора, может мешать его работе, увеличивая ошибки сопровождения. В этом случае целесообразно применять алгоритмы динамического изменения размеров и формы окна слежения, подавления фона, адаптации параметров дискриминатора к структуре объекта.
Измерение и компенсация многомерных неаддитивных сдвигов, таких как, масштаб, ракурс, крен, и т.д. Один из основных методов такого измерения заключается в выборе подходящей системы координат, в которой эти сдвиги превращаются в обычные аддитивные. (Например, логарифмическая полярная система для измерения масштабно-креновых сдвигов)
8 При этом возникает задача обеспечения инвариантности измерителя одной из компонент сдвига к изменениям остальных компонент.
- Исследование режимов автозахвата эталона при наличии начального рассогласования, в случае применения ОЭСС в задачах навигации подвижных объектов по заранее заложенному в память эталонному полю. В этом случае ОЭСС будет входить в режим автозахвата эталона при большом начальном рассогласовании, определяемом грубым целеуказанием от навигационной системы. Для решения этих задач необходимо обеспечивать, во-первых, максимальную ширину зоны захвата, при заданной вероятности захвата, и, во-вторых, инвариантность дискриминатора к небольшим различиям эталонного и текущего изображений вызванным тем, что эталон запоминается предварительно, а не в момент начала слежения, и возможно даже получен с другого фотоприемника с отличающимися характеристиками. До настоящего момента, режимы автозахвата в ОЭСС не эксплуатировались - в существующих системах эталон записывается в момент начала слежения, следовательно, начальное рассогласование равно нулю.
Основные задачи работы 1. Оптимизация базисов разложения для применения в многомерном корреляционном дискриминаторе (МКД) сдвигов изображений для ОЭСС. Одной из разновидностей МКД является нестационарный корреляционный дискриминатор (НКД), предложенный А.В. Русаковым в 1975 году. В нем обработке подвергаются коэффициенты разложения изображения на базисные функции, образующие обобщенный вейвлет-базис. В работе Русакова было показано, что для измерения сдвигов достаточно небольшого набора функций (в простейшем случае всего двух). При этом, основные свойства НКД будут определяться их формой. Поэтому, главная задача при проектировании НКД - это выбор базисных функций (БФ), обеспечивающих получение характеристик, удовлетворяющих заданным требованиям.
Сравнение и выбор эффективных способов нормировки выхода дискриминатора, обеспечивающих линейность дискриминационной характеристики (ДХ). Форма и параметры ДХ зависят не только от вида БФ, но и от способа нормировки выхода НКД. Выбором подходящего алгоритма можно обеспечить как стабильность крутизны ДХ в окрестности нуля, так и максимально возможную, для данных БФ, ширину ее линейной зоны.
Разработка и применение алгоритмов слежения за изображениями в условиях наличия многомерных сдвигов. В подвижных ОЭСС или при слежении за подвижными объектами кроме аддитивных сдвигов возникают и другие компоненты (вращение, масштаб, ракурс). Для уменьшения влияния этих компонент необходимо обеспечить их надежное измерение и компенсацию. При этом нужно учитывать влияние перекрестных связей между разными компонентами многомерного сдвига.
Исследование режимов автозахвата направления. Разработка методов расширения зоны захвата в ОЭСС. В системах навигации летательных аппаратов (ЛА) возникают задачи точного измерения направления на цель, заданную заранее записанным в память ЛА эталоном, при выходе на цель с некоторым начальным рассогласованием, вызванным ошибками системы навигации. В этом случае полезно исследовать режимы автозахвата в ОЭСС, т.е. переходные процессы, вызванные начальным рассогласованием между текущим и эталонным изображениями. И изыскивать методы расширения размеров зоны захвата, которые определяют допустимую величину начальных рассогласований.
Научная новизна работы
Получены экспериментальные оценки показателей качества дискриминатора при использовании базисных функций различной формы.
Найден новый класс базисных функций, обеспечивающий более высокую надежность автосопровождения, чем применявшиеся ранее.
Разработаны новые алгоритмы нормировки выхода дискриминатора. Исследовано их влияние на форму дискриминационной характеристики.
Разработан до уровня рабочих программ принцип формирования базисных функций, позволяющих измерять неаддитивные сдвиги (крен, масштаб, и т.д.)
Разработаны новые алгоритмы формирования расширенной зоны захвата для следящей корреляционной СТЗ за счет использования эталонов увеличенного формата с разбиением на субэталоны.
Обобщенный корреляционный дискриминатор
Общим для всех корреляционных измерительных систем принципом является сравнение взаимно сдвинутых, но сходных между собою сигналов, один из которых часто называют эталонным, а другой — текущим. В роли формирователей таких сигналов могут использоваться ТВ камеры, фотопроекционные устройства, датчики рельефа - высотомеры, механические профилографы, гидро- и радиолокаторы и многие другие приборы, способные воспроизводить одномерные или двумерные изображения наблюдаемых или записанных в некотором блоке запоминания сюжетов.
В результате сравнения, производимого с вычислением (иногда в неявной форме) взаимно корреляционной функции сигналов, находится оценка их относительного сдвига. Она используется для управления каким-либо исполнительным элементом, парирующим измеренный сдвиг. Таким образом может быть реализован корреляционный следящий автомат, где роль измерительного органа выполняет специфическое устройство - корреляционный дискриминатор (КД).
За последние десятилетия было изобретено множество корреляционных систем разного назначения: для измерения относительного положения движущихся объектов, их скорости, ускорения, направления движения и т.п.
Первый обзор таких систем дан в справочном пособии С.Ф.Козубовского [5]. Авторами многих предложений были профессор В.П. Тарасенко и его сотрудники [13-15], а также профессор Д.В. Васильев [8]. Известны многочисленные зарубежные патенты на корреляционные автоматы [16-19].
Здесь и далее корреляционные дискриминаторы рассматриваются как звенья системы, находящейся в режиме слежения за двумерным сигналом (изображением). Физическая природа излучения, создающего изображения, безразлична, однако для определенности далее принято, что они формируются по правилам проективной геометрии и законам геометрической оптики. Это значит, что регистрируемые поля являются скалярными и из рассмотрения исключены особенности, связанные с дифракцией.
Функциональные признаки и структура КД в многомерном следящем автомате
Сопоставляя разные корреляционные следящие автоматы, можно выделить ряд общих качественных признаков, характеризующих корреляционный дискриминатор многомерного сдвига как измерительный элемент такой системы в следящем режиме [8].
1. На два входа КД поступают соответственно два сигнала — изображения x(z) и y(z), различающиеся при отсутствии помех только многомерным взаимным сдвигом s = [sh s2 ... sm]\ где s,- его составляющие. В общем случае различия между двумя сигналами могут также возникать из-за действия помех и появления новых элементов в поле зрения приемника.
Размерность т векторного пространства сдвигов, выбираемая при составлении модели дискриминатора для следящего измерителя их компонент, определяется количеством скалярных параметров, минимально необходимых для формального описания различий между коррелируемыми сигналами. Например, для модели КД в гипотетическом автомате управления движением самонаводящегося летательного аппарата к удаленной точке некоторой поверхности размерность т = 6. Две из компонент вектора характеризуют плоский сдвиг в текущей проекции окрестностей точки, третья - изменение масштаба их изображения при сближении, еще две - деформацию за счет поворота фотоприемника относительно двух поперечных осей (ракурс) и одна — угол поворота изображения вокруг оптической оси фотоприемника.
Стабилизировав (например, с помощью независимой трехстепенной гиро-платформы) положение осей фотоприемника в пространстве, можно сократить размерность возмущений до т = 3 (две компоненты сдвига и масштаб).
2. Количество парциальных выходов КД определяется числом т из меряемых скалярных сдвигов, а оно в свою очередь равно числу сигналов управления, необходимых, чтобы поддерживать режим слежения за изме няющимися параметрами изображения.
Конечно, при поиске наилучших технических решений для следящих корреляционных автоматов следует помнить о необходимости максимального сокращения числа отслеживаемых компонент сдвига изображений. Большое количество мешающих факторов в системе, как правило, свидетельствует о плохой ее организации, поэтому надо стремиться к использованию в КД всех априорных данных об ожидаемых рассогласованиях, а также выбирать методы фильтрации, обеспечивающие наименьшую зависимость оценок от некомпенсированных возмущений.
3. При синтезе дискриминатора обычно постулируют, что его выход ная характеристика в рабочей зоне является монотонной, а еще лучше — нечетной функцией соответствующей компоненты сдвига. Для систем с не прерывным управлением целесообразно требовать, чтобы любая парци альная ДХ в некоторой окрестности нуля была близка к линейной функции от /-ой компоненты векторного сдвига, не зависящей от других составляю щих. Это требование, очевидно, соответствует режиму слежения по всем компонентам сдвига, который реализуется при наличии раздельных сле дящих контуров для каждой из них и после завершения переходных про цессов в момент перехода от поиска к захвату.
Нормировка дискриминационной характеристики
Кроме правильного выбора БФ, на свойство ДХ существенно влияет также и выбор ее нормировки. В классическом НКД, предложенном А.В. Русаковым, нормировкой является выражение a as + b bs в формуле (1.26), главы 2. Как было показано (1.28), при использовании гармонических БФ подобная нормировка, в совокупности с нелинейным преобразованием, является наилучшей для обеспечения линейности ДХ и стабильности ее крутизны в идеальном случае, в отсутствии краевых эффектов. Однако, в реальности, как было показано в предыдущем параграфе, необходимо использовать БФ более сложной формы. Как показали исследования, для таких БФ нормировка (1.26) в среднем сохраняет линейность ДХ, но ее кру тизна имеет значительный разброс в 1.5-2 раза, в зависимости от изображения. Поэтому приходится применять дополнительную нормировку по пробному сдвигу.
В данной работе был рассмотрен общий подход к нормировке ДХ и исследовано несколько частных случаев его применения. Рассмотрим ненормированную оценку (1.24) как неизвестную функцию от сдвига: K(s)=\i = abs -bas О функции K(s) известно только, что: К(0) = О Kfo; = t (2.13) где S-i - искомый сдвиг.
Если функция K(s) линейна и имеет известную крутизну, то уравнений (2.13) достаточно для определения s0. Однако в общем случае необходимо иметь дополнительную информацию. Такой информацией может служить значение производной K (s) в нуле и в точке Si. К (0) = К 0 K (s1) = K 1 (2.14) Можно показать, что K (s) вычисляется следующим образом: KYsJ=ab,s-ba,s, (2.15) где а5 = (х, С) b s = (x,S ) коэффициенты разложения изображения на производные базисных функций.
Выбрав подходящий вид интерполяции K(s), из уравнений (2.13) и (2.14) можно определить искомое значение сдвига Si. Такая нормировка гарантированно обеспечивает стабильность крутизны ДХ в малой окрестности нуля, однако ее форма при больших сдвигах будет зависеть от выбранного вида интерполяции.
В данной работе были рассмотрены несколько видов интерполяции -линейная, квадратичная, кубическая и гармоническая. Линейная интерполяция. K(s)=as (2.16) При таком виде интерполяции достаточно знать всего одно значение производной К о или К !. Соответственно, значение сдвига можно вычислить одним из двух способов: s KWK o (2.17) s Ki/K ! (2.18) Пример ДХ, вычисленной по формулам(2.17) и (2.18), в отсутствии краевых эффектов, представлен на рис. 2.17 а) и б) соответственно. (Здесь и далее используются БФ на основе комбинации 3-х отрезков гармонических функций) По осям графиков отложен реальный и измеренный сдвиг в пикселях. Размер рабочего окна - 64 пк.
В случае, если используются гармонические или квазигармонические (узкополосные) БФ, аналогичные описанным в разделе 2.3, для аппроксимации можно использовать функцию вида: K(s) = a sin(u) s) (2.23) Частоту ш можно определить из уравнений, а можно заранее установить равной средней характерной частоте БФ. В этом случае будет использована только одна из производных, и сдвиг может быть вычислен двумя способами s, =arcsin(—— 2со)— 1 К\ 2(0 (2.24) sl =at m2(K\,K{-2(x))— 2со (2.25) где, atan2(x, у) - функция, возвращающая угол между осью Ох и вектором с координатами (х, у) в диапазоне от -% до к. Если использовать обе производные, считая ш неизвестной, получим s. =atan2(—L, )-1 (2.26) " о где, с J(K\)2-(K\)2 ДХ, соответствующие этим трем способам нормировки изображены на рис. 2.20 а), б), и в), соответственно.
Как уже говорилось, классическая нормировка вида (1.26) по взаимной энергии при негармонических БФ не обеспечивает стабильность крутизны даже вблизи нулевого сдвига. Однако при этом, в совокупности с нелинейным преобразованием, она обеспечивает большую ширину МРЗ и линейность ДХ. Для стабилизации крутизны, автором было предложено совместить нормировку по взаимной энергии и по производной К (0). Для этого в качестве оценки сдвига была взята функция похожая на (1.28)
Сравнение различных алгоритмов нормировки проводилось методом математического моделирования. Из вышеприведенных рисунков видно, что в малой окрестности нуля все алгоритмы ведут себя одинаково. Таким образом, в установившемся режиме АС при малых динамических ошибках слежения можно использовать любой из них. Разница между ними будет заметна только при больших сдвигах, вызванных переходными процессами при входе в режим АС, или резкими импульсными воздействиями на контур слежения (например, помехами).
Исследования проводились по методике, аналогичной той, что описана в параграфе 2.2. На том же массиве изображений строилась кривая зависимости среднеквадратическои ошибки измерения сдвига от величины самого сдвига при наличии краевых эффектов. Пример такой зависимости для кубической аппроксимации показан на рис. 2.22.
Результаты компьютерного моделирования
Как уже упоминалось выше, ОЭСС может работать как в режиме устойчивого АС с малыми сдвигами, так и в режиме вхождения в захват с большими начальными рассогласованиями. Режимы «автозахвата» особенно актуальны в таких задачах, как поиск цели по заранее заданному эталону [38 - 40], навигация летательных аппаратов по изображениям поверхности Земли [41 - 43], астроориентация [44-46], и др. Известно, что для решения подобных задач используют алгоритмы пошагового поиска максимума ВКФ или минимума модуля разности изображений по всем возможным значениям сдвига. Такие алгоритмы, во-первых, требуют большого объема вычислений, во-вторых, чувствительны к искажениям изображений, вызванным нескомпенсированными компонентами сдвига и другими факторами и, в-третьих, при их использовании есть вероятность пропустить истинное значение максимума ВКФ, которое попадает в промежуток между шагами поиска.
В данной работе предложен алгоритм расширения зоны захвата НКД, позволяющий, не прибегая к поисковым процедурам, входить в режим слежения при больших начальных рассогласованиях. Алгоритм основан на использовании эталонного изображения увеличенного формата, превышающего поле зрение камеры, с разбиением его на более мелкие «субэталоны». Размер эталона выбирается так, чтобы текущее изображение не выходило за пределы эталонного поля при любой погрешности предварительного целеуказания.
Описание алгоритма
Обработка сигналов в предлагаемом алгоритме рассчитана на выполнение процедуры «автозахвата» в два этапа. На первом из них ОЭСС работает как следящий измеритель с обратной связью лишь по двум - ад дитивным компонентам сдвига. При ее замыкании происходит предварительное, грубое определение на эталоне участка, совпадающего с текущим изображением с точностью до ошибок рассогласования по другим компонентам сдвига. Погрешность измерения сдвигов между элементами сравниваемых полей на этом этапе может достигать 2-3 пкс.
На втором этапе контур следящего измерителя замыкается и по другим составляющим сдвига, требующим компенсации. Тогда аддитивные сдвиги между эталонным и текущим изображениями оцениваются уже с субпиксельной точностью и затем с помощью электронных или оптических преобразований компенсируются окончательно с точностью до приборных ошибок.
В зависимости от состава и назначения ОЭСС, общее число компонент первоначального сдвига (не считая аддитивных) может быть разным. Например, в системе астроориентации по звездам есть только креновые рассогласования, в системе навигации летательного аппарата, при наличии надежной гиростабилизированной платформы, наоборот, будут только масштабные рассогласования, а при наличии лазерного или радиовысотомера, может не быть и их.
В процессе автозахвата на обоих этапах системой используются векторные НКД сдвигов, работающие по алгоритму (1.28) гл.1, с учетом результатов, полученных в гл.2:
На первом этапе КД измеряет только две, а на следующем этапе -все парциальные компоненты сдвига между текущим и эталонным изображениями.
Компенсация измеренных сдвигов производится цифровым преобразованием текущего или эталонного изображений. При использовании только цифровой компенсации, можно использовать простейший фильтр обратной связи, представляющий собой дискретный интегратор.
Остальные некомпенсированные компоненты сдвига, не должны оказывать существенного влияния на результат при правильном выборе фильтрующего оператора в алгоритме КД, который не только обеспечивает двумерную низкочастотную фильтрацию изображений, но и ослабляет перекрестные связи между различными компонентами.
КД, находящийся в составе контура ОС способен правильно измерять сдвиг, если его значение лежит в области, называемой «зоной захвата». Ее размер на поле аддитивных сдвигов, как правило, меньше размера самих изображений. На рис.3.1 показан пример такой зоны для двумерных аддитивных сдвигов. Прямоугольником обозначен размер изображения, получаемого с камеры. Серым цветом показан диапазон двумерных сдвигов относительно центра изображения, для которых контур ОС выдает правильное значение сдвига по окончании переходного процесса. Это означает, что при любом начальном рассогласовании между эталонным и текущим изображением, равном вектору расстояния от центра рисунка до любой точки из серой зоны, переходный процесс в контуре сойдется к точке нулевого рассогласования, в которой эталонное и текущее изображения полностью совпадают. В точках из белой зоны переходный процесс либо не сойдется вообще, либо сойдется к устойчивой точке «ложного нуля» дискриминатора (при ее наличии), где реальное рассогласование будет недопустимо большим.
НИР «Известность-И» (ОАО «Импульс»)
В рамках данной работы, проводимой в ОАО «Импульс» (Москва) fhttp://www.impuls.ru/l по заказу ЦНИИАГ, исследовались вопросы построения перспективных систем высокоточного оружия с использованием различных методов наведения. В частности, одной из проблем при создании подобных систем является задача навигации и поиска наземных целей при помощи камеры, установленной на борту управляемого боеприпаса или БПЛА по заранее записанному эталону [62]. Эталон может быть получен при помощи спутниковой съемки или авиаразведки.
Автором исследована возможность применения алгоритма автозахвата, описанного в гл. 3, для решения подобной задачи. Выполнено компьютерное моделирование алгоритма с использованием массива характерных цифровых спутниковых фотографий, которое подтвердило эффективность его применения при наличии на борту ЛА системы угловой ориентации.
Результаты проведенных исследований вошли в соответствующий раздел отчета о составной части НИР «Известность-И», [48]. Кроме этого, полученные результаты были использованы в НИР «Указивка» [49], выполняемой ОАО «Импульс» по заказу ЦНИИХМ.
Разрабатываемая в ФГУП «НИИ ПП» межспутниковая лазерная нави-гационно-связная система (МЛНСС) для нового поколения космических аппаратов (КА) «Глонасс-М» предназначена для обеспечения надежного канала передачи данных «спутник-спутник» и «спутник-Земля», измерений дальности и для синхронизации внутренних часов КА [63]. Для наведения узкого лазерного луча на фотоприемник КА, с которым устанавливается связь, необходимо с высокой точностью (порядка нескольких угловых секунд) знать угловое положение обоих аппаратов в пространстве- Для этого было решено использовать систему астроориентации. Данная система сравнивает изображение звездного поля, наблюдаемое ТВ камерой с борта КА, и эталонное изображение, сформированное на основе хранящегося в памяти звездного каталога, измеряя рассогласование между ними с точностью, намного превышающей пиксельное разрешение камеры.
Автором исследована возможность применения для астроориентации алгоритма автозахвата (гл. 3). Было проведено компьютерное моделиро вание алгоритма на массиве изображений звездного неба, которое подтвердило его применимость и обеспечение требуемой точности измерений.
Для данного изделия автором разработаны и реализованы алгоритмы предварительной обработки изображения, используемые как в тракте ав «Крым-07» - низкоуровневая телевизионная головка самонаведения с корреляционным алгоритмом обработки информации о цели, разработанная в ОАО «Импульс». Головка включает в себя оптико-электронную часть, установленную на трехстепенной гиростабилизированнои платформе, и электронный блок обработки информации, расположенные в едином корпусе. Она предназначена для использования в составе корректируемых авиационных бомб КАБ-500Кр, КАБ-1500Кр, КАБ-500ОД и др., используемых для поражения широкой номенклатуры наземных и надводных стационарных целей, в том числе прочных и слабоконтрастных (замаскированных, положение которых известно относительно окружающих ориентиров на местности), с реализацией принципа "сбросил - забыл". Головка способна работать как днем, так и в условиях слабой освещенности, в том числе и в ночное время суток [64].
томата, так и в тракте визуализации (см. раздел 1.4 данной работы). Предварительная обработка производится в ПЛИС и включает в себя автоматическое контрастирование изображения, устранения эффектов чересстрочное развертки и масштабирование. Такая обработка обеспечивает большой динамический диапазон освещенностей на местности, высокое качество и удобство восприятия изображения на мониторе (МФИ) летчика. Эксперименты, проведенные на лабораторном пакете, показывают, что обработка также улучшает качество автосопровождения, не влияя на положение нуля и свойства четности дискриминационной характеристики (ДХ). При наличии нормировки выхода дискриминатора, такие преобразования не влияют также и на крутизну ДХ.
Предложенные и исследованные в данной работе алгоритмы измерения многомерных сдвигов между изображениями позволяют достичь высокой точности измерения при сохранении быстродействия, достаточного для их реализации в реальном масштабе времени, а также обладают высокой инвариантностью к структуре изображения, что было подтверждено путем компьютерного моделирования. В частности были получены следующие результаты:
1. В результате проведенного математического моделирования различных типов базисных функций (БФ), используемых в нестационарном корреляционном дискриминаторе (НКД), выявлено, что наилучшим вариантом является комбинация из 2 или 3-х отрезков гармонических функций с коэффициентами [1; -1] или [1; -2; 1], для 3-х соседних гармоник пространственных частот, обеспечивающая вероятность срыва автосопровождения 2%, и наибольшую ширину монотонной рабочей зоны дискриминационной характеристики (ДХ) равную 0.6 от размера рабочего окна.
2. Исследование различных видов нормировок ДХ показало, что наиболее широкой и линейной рабочей зоной, при квазигармонических БФ, обладает алгоритм нормировки по взаимной энергии и крутизне в нуле. При негармонических БФ, более целесообразно использование нормировки, основанной на квадратичной интерполяцией ДХ.
3. Предложенный метод формирования БФ для измерения неаддитивных сдвигов, позволяет измерять любые компоненты многомерного сдвига с одинаковыми вычислительными затратами.
