Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ- В диссертационной работе изложены развитые тором основы теории оптикоэлектронных цифровых систем идентифика-;и движения яркостных полей в реальном времени. Актуальность дан->й проблемы во многом определена как насущными задачами развития 'ШХ видов спецтехники, так и задачами создания высокотехнологич-[X оптико-электронных систем, имеющих народно-хозяйственное іачение.
Задача идентификации движения яркостных полей в реальном вре-іни приобрела актуальность в связи с разработкой высокоточных ггико-электронных систем обнаружения и сопровождения движущихся 5ъектов, систем наведения, а также систем автономной навигации и жентации летательных и космических аппаратов. В промышленности стуальна задача определения параметров движения объектов по опти-гскому изображению наблюдаемых сцен. Аналогичная проблема возника-г в случаях, когда нежелателен или затруднен непосредственный жтакт с контролируемыми объектами, например, при очувствлении эботов с помощью видеосенсоров, измерении скорости проката, гарости перемещения взрывоопасных и агрессивных материалов, при издании высокоточных расходомеров и т.д. На транспорте актуальна адача определения скорости транспортных средств относительно подсылающей поверхности, например, при аэрокосмической фотосъемке, при зсадке летательных и космических аппаратов и т.п.
Практическое создание систем идентификации движения яркостных элей до недавнего времени было затруднено из-за отсутствия зффек-ивных технических средств реализации алгоритмов идентификации вижения изображений. В настоящее время с появлением высоких эхнологий изготовления малогабаритных координатно-чувствительных риемников излучения, в частности, приборов с зарядовой связью ПЗС). элементов плоской оптики, с освоением субмикронных техноло-ий изготовления сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), появивсь возможность экономичной реализации известных алгоритмов дентификации движения. В свою очередь это послужило стимулом для азвития теоретических и алгоритмических осноз построения более овершенных систем идентификаций движения яркостных полей.
В настоящее время созданы основы теорим
JUT'»'
экстремально-корреляционных, частотных, градиентных измерителе скорости движения изображения. Однако задача создания систем идеи тификации движения случайных яркостных полей в реальном времени н решена. Объясняется это рядом обстоятельств, из" которых главным являются отсутствие эффективных, ориентированных на реализацию цифровых системах реального времени, методов идентификации движени и сложностью достижения быстродействия, требуемого для реализаци этих систем в цифровых базисах.
Наиболее точныным и, вообще говоря, универсальным методо: идентификации движения случайных яркостных полей является экстре мально -корреляционный- Но при сложных законах движения наблюдаемо го объекта универсальность методов этой группы чрезвычайно трудн реализовать современными техническими средствами из-за необходимо сти вычисления сверток и применения процедур полного перебора информационных полях размерностью три и более. Поэтому метод данного типа не являются перспективными с точки зрения достижени цели работы.
Частотные методы (основанные на узкополосной частотно пространственной фильтрации) имеют ограниченную область применени и невысокие метрологические характеристики.
. Градиентные методы, основанные на вычислении производных п времени и пространственным координатам от информативных признако изображения, корректны только в случае достаточно гладких слабо зашумленных изображений.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют универсальны методы идентификации движения случайных яркостных полей, ориентиро ванные на реализацию в цифровых системах реального времени, задача разработки универсального и экономичного в вычислительно; смысле (т.е. не использующего процедур поиска и полного перебора, также процедур вычисления сверток в многомерных полях) являете нерешенной актуальной задачей оптико-злектроники.
Как отмечалось выше, дополнительные и. серьезные трудности решении рассматриваемой проблемы вызваны сложностью достижени требуемого быстродействия цифровых аппаратных средств, реапизующи алгоритмы идентификации движения в реальном времени. Вызвано зт тем, что обрабатываемая видеоинформация представлена чаше всег массивами данных высокой размерности- Обработка таких массивов реальном времени с использованием только программных средств н современном уровне развития техники требует применения больших ЭВМ
что в большинстве практических задач недопустимо-
Поэтому реализация алгоритмов идентификации движения яркостных полей в реальном времени в ответственных случаях осуществляется на специально проектируемых программно-аппаратных средствах. Несмотря на достигнутый за последние годы прогресс в проектировании и технологии изготовления сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) задача создания специализированных быстродействующих аппаратных средств для реализации систем реального времени, остается актуальной. Возможности использования альтернативных технических решений, основанных, например, на применении элементов когерентной оптики, пока ограничены.
Весьма эффективным способом повышения быстродействия цифровой аппаратуры является реализация асинхронного принципа управления протекащими в ней процессами. Асинхронный принцип управлени позволяет повышать на порядок и более скорости обработки информации и создавать над заданным элементным базисом цифровые системы , и схемы (ЦС) предельно высокого быстродействия. Однако в настоящее время отсутствуют эффективные методы проектирования асинхронных цифровых схем- Это объясняется тем, что ЦС асинхронного типа относятся классу логико-динамических систем, общая теория которых пока еще находится в становлении.
Поэтому наряду с разработкой "быстрых" алгоритмов идентификации движения яркостных полей, актуальной является задача построения логико-динамических (ЛДС) моделей, адекватно отражающих динамические свойства асинхронных ЦС, и развития эффективных методов численного и качественного анализа процессов в них. Такие методы анализа позволят практически реализовать потенциально высокое быстродействие разработанных алгоритмов и тем самым создать цифровые устройства идентификации движения яркостных полей, функционирующие в реальном времени.
Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в течение 1977-1995 гг. ряда плановых НИР СамГТУ.
Хоздоговорные научные работы велись с организациями; КБ Автоматических систем (Самара), Центральное специализированное конструкторское бюро (Самара), ГП автоматизации трубопроводного транспорта (Самара), АО Моторостроитель (Самара), Иркутский ВЦ РАН, НИИ Телевидения (С.-Петербург).
Бюджетные НИР проводились по программам: "Конверсия высоких технологий" (Приказ J6 168 от 23.03.93г.),' "Надежность конструкции"
,,- 6
(Приказ №107 от 20.04.92), "Перспективные приборные комплексы и системы подвижных объектов" (пост. К 19 от 23.01.92г.) (все -Госкомвуз РФ), "Конверсия Самары", по двум грантам в области радиоэлектроники и электротехники (приказ от 09.07.93г. № 67) и гранту по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук (шифр 93-1003 Конкурсного центра грантов при Московском автомобилестроительном институте), по тематике Секции прикладных проблем РАН в рамках постановления правительства РФ от 21.12.93г. № 1314-68, а также по договору о партнерстве и сотрудничестве с Иркутским ВЦ СО РАН. .
ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ состоит в разработке методов построения и анализа динамики цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени и применении развитых методов для создания быстродайствувдих оптико-электронных систем определения параметров движения объектов со случайным распределением яркостей.
При достижении цели работы были решены следующие задачи: і) разработки метода быстрой идентификации движения яркостных полей в реальном времени;
-
разработки на основе предложенного метода конкретных способов и алгоритмов определения параметров движения объектов для реализации в цифровых системах, работающих в реальном времени;
-
создания логико-динамической модели процессов в асинхронных цифровых схемах, используемых, в частности, для построения систем идентификации движения яркостных полей;
-
создания общего эффективного метода анализа динамических процессов в логико-динамических моделях цифровых схем и систем, позволявшего достичь существенной экономии вычислительных ресурсов при анализе динамики ЦС;
-
разработки конкретных цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени*
-
экспериментального исследования созданных цифровых систем идентификации движения яркостных полей.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ базируются на применении методов математической логики, общей теории систем и теории оптико-электронны) устройств. Основным математическим аппаратом анализа процессов і цифровых схемах является развитый в общей теории систем принциг сравнения с вектор-функцией Ляпунова (ВФЛ).
НАУЧНАЯ НОВИЗНА і. Развиты теоретические основы принципиально нового метода идентификации движения яркостных полей, который отличается от известных общностью, универсальностью и простотой в реализации. Метод позволяет решать широкий класс задач. включаиций как задачи определения з реальном времени вектора скорости движения объекта по последовательности его изображений, так и задачи обнаружения движения в трехмерных сценах-
'.. Разработана логико-динамическая модель процессов в асинхронных дефровых схемах, которая позволяет исследовать широкий класс динамических свойств ЦС, не выявляемых другими известными моделями, і. Разработан метод построения входо-выходных последовательностей іифрошх схем. который в отличие от известных позволил получить шгоритмы построения входо-выходные последовательности как для сомбинационных схем, так и для цифровых схем с обратными связями и іамятью в интервальной постановке задачи. Полученные алгоритмы сличаются высоким быстродействием.
Созданы теоретические основы общего строгого метода анализа ди-іамических процессов в цифровых схемах. Метод базируется на идеях )азвитого в общей теории систем принципа сравнения с !ектор-функцией Ляпунова (ВФЛ). Метод позволяет проводить :ачественное исследование процессов в ЦС без непосредственного гостроения входо-выходных последовательностей исследуемых схем и !ез полного перебора в множествах начальных данных и других іараметров ЦС и тем самым существенно сократить затраты вычислитель-:ых ресурсов при проектировании ЦС, реализупцих предложенные лгоритмы идентификации движения.
ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений и выводов подтверждена как чижиными экспериментами на ЭВМ, так и экспериментальными исследова-иями созданных устройств и систем на специально сконструированных тендах, а также при натурных испытаниях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ определяется созданием быстродействующих птико-злектронных цифрозых систем определения параметров движения оъектов, конкретными предложенными способами определения парамет-ов движения яркостных полей, апробированными структурами цифровых стройств идентификации движения, защищенными 17 авторскими свиде-ельствами и патентами России, а также разработанными инструмен-альными средствами для динамической верификации цифровых схем с четом инерционных свойств их базисных элементов-
8 В промышленности системы, построенные на основе предложенных в работе методов внедрены:
- в КБ Автоматических систем (г.Самара) при создании приборного обеспечения системы посадки летательного аппарата на оперативно развертываемые аэродромы :
- в Центральном специализированном конструкторском бюро (ЦСКБ
г.Самара) в составе датчиков контроля вибрации и смаза изображения
системы прецизионной виброзашиты оптической скамьи визуального кон
троля, используемой для экспериментальных исследований и аттестации
длиннофокусных оптических систем наблюдения, базирующихся на
низкоорбитальных космических аппаратах ;
- на предприятии АО Моторостроитель (г.Самара) в составе
высокоточного расходомера проливочного стенда форсунок специзделий ;
- на Государственном предприятии автоматизации трубопроводного
транспорта (г.Самара) в составе вискозиметров, предназначенных для
исследования реологических свойств сверхвысокомолекулярных жидкос
тей и гелей, и в составе расходомеров нефтепродуктов ;
- материалы диссертации использовались в разработках НИИ
телевидения (г.С.-Петербург) "по созданию беспилотного
летательного мини-аппарата разведки местности.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 52 работы в том числе і? авторских свидетельств на изобретения и патенты России. выпущено более 15 отчетов по выполненным НИР, материалы диссертуции использованы в 4 учебно-методических пособиях, выпущенных в СамГТУ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, симпозиумах, семинарах и совещаниях- v и VI Всесоюзных совещаниях по проблемам управления (Москва 1971, 1974), і Международной конференции молодых ученых "Проблемы проектирования И Применения ДИСКреТНЫХ СИСТеМ В управлении" (МИНСК, 1977),
ш Всесоюзной Четаевской конференции "по устойчивости движения, аналитической механики и управлению движения" (Иркутск, 1977), vii Всесоюзном совещании "Теория и методы математического моделирования" (Куйбышев, 1978). Всесоюзных симпозиумах "Логическое управление в промышленности" (Куйбышев, 1985 ; Ташкент 1988). Всесоюзных симпозиумах "Логическое управление в промышленности с использованием ЭВМ" (УСТИНОВ, 1987; ОрДЖОНИКИДЗе, 1988; АЛУШТа, 1990; ФЄОДОСИЯ,
1991), Всесоюзной конференции "Измерительные информационные системы (ИЙС-89)" (Ульяновск, 1989), Всесоюзных совещаниях "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе"
:Барнаул, i9so,1988),' Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" (Куйбышев, i98i>, Всесоюзных совещаниях, координатно-чувствительные фотсприемкики и оптико- электронные приборы на их основе (Барнаул, 1981, 1985, 1987), Всесоюзном совещании "Проблемы комплексного проектирования чувствительных элементов навигационных систем подвижных объектов" (Москва, 1981), Зсесоюзной конференции "Измерение и контроль при автоматизации троизводственных процессов" (Барнаул, 1982), vi Всесоюзной конференции "Информационно - измерительные системы-зз" (ИИС-83, Куйбы-иев, 1983), Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация троизводственных процессов" (Барнаул, 19вз>, Всесоюзном семинаре 'Методы и средства обработки оптической информации" (Москва, 1983), j Всесоюзной Четаевской конференции "Аналитическая механика, устой-швость и управление" (Казань, 1987), Всесоюзной конференции 'Оптикоэлек- тронные измерительные устройства и системы" (Томск, :989), и всесоюзной школе "Автоматизация создания математического )беспечения и архитектуры систем реального времени" (Иркутск, .990), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Оптико-электронные методы и средства контрольно-измерительной техники" (Москва, 1991), всесоюзных школах по методу функций Ляпунова и его приложениям (г-
ІРКУТСК, 1979, 1982, 1985, 1991, 1994), Семинары ИрВЦ СО АН СССР,
1ЭТИ, ЛИТМО, МГИ, на Международном Конгрессе нелинейных аналитиков ' Тампа (США, Флорида, 1992), на семинарах проф. Лакшмикантамам.в ехнологическом институте г. Мельбурн (США, 1993), на семинарах іроф. Чокоса в Южно-Флоридском университете г. Тампа (США, 1993).
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Все работы, выполненные в соавторстве, юдчинены общей постановке проблемы и концепции ее решения, предло-сенной соискателем. Соискателем сформулированы все основные идеи іащищаемьіх методов, алгоритмов и структур аппаратных и программных редств, методика испытаний, моделирования на ЭВМ и интерпретации езультатов-
Соавторы учавствовалик в разработке конкретных аппаратных и рограммных средств, проведении испытаний и численных экспериментов а ЭВМ. конкретизации методов для частных случаев.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение. 6 азделов, заключение, список использованных источников на 303 наи-іенования, 2 приложения, 99 рисунков и 7 таблиц. Основное содер-
жание изложено на 307 страницах. Полный объем диссертации -438 страниц.