Введение к работе
Актуальность темы. Телевизионные системы стереозрения все чаще используются как системы машинного зрения мобильных роботов, одной из задач которых является точное позиционирование в окружающем пространстве. Задача позиционирования рассматривается как задача определения координат нескольких ориентиров в системе координат, связанной с телевизионной системой стереозрения, что позволяет оценивать её положение (позиционировать) относительно выделенных ориентиров в пространстве. Позиционирование является важным показателем, применяемым для решения большого круга задач, таких как, счисление пройденного пути, преодоление препятствий, для курсовой навигации и наведения, точного управления манипулятором и других.
При применении цифровых телевизионных систем стереозрения круг вопросов при решении задачи позиционирования должен быть расширен. Применение мозаичных фотоприемников цифровых видеокамер приводит к неизбежной дискретизации реконструируемого пространства и ошибкам координатных измерений ориентиров. Поэтому необходимо не только определить ориентиры и измерить их координаты, но и ответить на вопрос, с какой точностью данные ориентиры позволяют решать задачу позиционирования. Ведь точность позиционирования будет определять и точность выполнения связанных с ней операций. В условиях априори неизвестной сцены возникают и требуют рассмотрения и оптимизационные задачи. Например, какие собственно следует выбирать ориентиры из полученного в априори неопределенного набора для обеспечения наилучшей точности позиционирования и преемственности измерений?
Обозначенное относится к вопросам анализа и обработки телевизионных сигналов и непосредственно к области телевизионных измерений. На качество телевизионных измерений заметное влияние оказывают как параметры телевизионных систем стереозрения, так и их рассогласования. Анализ влияния рассогласований параметров телевизионных систем стереозрения на качество измерений; методы, направленные на их устранение, а также методы учёта рассогласований при измерениях в литературе освещены крайне недостаточно. Поэтому вызывают интерес исследования данных вопросов с привязкой к показателям качества телевизионных измерений для получения конечных методов, моделей и алгоритмов обработки телевизионных сигналов с целью повышения точности позиционирования.
Целью диссертационных исследований является повышение точности позиционирования цифровой телевизионной системы стереозрения на априорно неопределённой сцене за счёт автоматической регулировки видеокамер стереосистемы, ограничения измерительного пространства стереосистемы, выбора из априори неизвестного набора пар ориентиров, обеспечивающих наилучшую точность позиционирования при заданной продолжительности их наблюдения.
Объектом исследований выступают прикладные телевизионные системы цифрового стереозрения для позиционирования в трёхмерном пространстве.
Предметом исследований выступают методы, модели и алгоритмы обработки видеоинформации в цифровой телевизионной системе стереозрения, направленные на повышение точности позиционирования.
Достижение цели исследований осуще ствляется посредством рассмотре -ния и решения следующих частных задач:
1.Анализ измерительного пространства при согласованности параметров цифровых телевизионных систем стереозрения. Точечное и интервальное оценивание координат точек трёхмерной сцены. Анализ моделей видеокамер, модели телевизионного сигнала;
2.Анализ стохастической модели ошибок измерений точек трёхмерной сцены при согласованности параметров цифровой телевизионной системы сте-реозрения. Сопоставление вероятностной и статистической моделей ошибок измерений точек трёхмерной сцены при согласованности параметров цифровой телевизионной системы стереозрения;
3.Моделирование возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер цифровой телевизионной системы стереозрения, радиальной дисторсии видеокамер. Анализ влияния возмущающих факторов на измерительное пространство цифровой телевизионной системы стереозрения и точность измерений посредством статистической модели возмущающих факторов;
4.Исследование метода компенсации влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями параметров цифровой телевизионной системы стереозрения посредством информационной и корреляционной обработки стереопары. Исследование методов учёта в измерениях неустранимых рассогласований параметров стереосистемы. Исследование метода оценки качества компенсации влияния возмущающих факторов, связанных с рассогласованиями параметров цифровой телевизионной сис темы стереозрения по статистическим наблюдениям;
5.Постановка, анализ и решение задачи выбора лучших ориентиров и определения точности позиционирования при измерениях цифровой телевизионной системы стереозрения на априори неопределённой сцене. Исследование влияния адаптации зоны поиска лучших ориентиров и измерительного пространства цифровой телевизионной системы стереозрения к условиям траек-торной задачи на параметры и структуру цифровой телевизионной системы стереозрения;
6.Анализ структуры цифровой телевизионной системы стереозрения для позиционирования на априорно неизвестной сцене с автоматической регулировкой фокусировки, пространственной ориентации и положения видеокамер посредством информационной и корреляционной обработки стереопары с адаптацией измерительного пространства цифровой телевизионной системы стерео-зрения к условиям траекторной задачи.
К наиболее существенным новым научным результатам, полученным в результате научно-исследовательской работы относятся: Стохастическая модель ошибок измерений точек трёхмерной сцены, позволяющая определять параметры распределений по всем координатам в системе, связанной с цифровой телевизионной системы стереозрения; Метод компенсации влияния рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения посредством информационной и корре-
ляционной обработки стереопары. Мод ели и алгоритмы автоматической трёхмерной калибровки цифровой телевизионной системы стереозрения; Методы учета в измерениях неустранимых рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения. Метод оценки качества компенсации при измерениях рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения по статистической информации; Метод определения точности позиционирования при измерениях цифровой телевизионной системы стереозрения на априори неопределённой сцене. Алгоритм оптимального выбора пар ориентиров из неизвестного набора для повышения точности позиционирования с адаптацией к условиям траекторной задачи; Структура цифровой телевизионной системы стереозрения с автоматической калибровкой параметров для позиционирования на априори неопределённой сцене с адаптацией к условиям траекторной задачи, реализующая разработанные методы, модели и алгоритмы обработки видеоинформации. Новизна полученных результатов заключается в разработке нового, принципиально отличного от имеющихся подхода определения точности измерений и позиционирования, основанном на анализе и учёте параметров цифровой телевизионной системы стереозрения; в обосновании необходимого уровня отношения сигнал шум в телевизионном изображении для решения задач анализа сцены с приемлемым качеством и в разработке подхода исследования параметрической связи цифровой телевизионной системы стереозрения и динамики перемещения мобильного робота.
Научно-практическая значимость полученных результатов. 1.Для получения симметричных унимодальных распределений ошибок координатных измерений необходимо ограничивать глубину измерительного пространства ЦТСС значением диспарантности не менее 20 пикселей. При этом отношение величины 3-х СКО ошибок измерений глубины точки к глубине измерений не превышает 4%;
2.Для обеспечения доли правильно выделенных точечных особенностей сцены > 0,95 и доли ложно выделенных точечных особенностей < 0,05 необходимый уровень отношения сигнал шум в телевизионном изображении должен быть выше 42 дБ.
3.Установлено, что точность продольного позиционирования зависит от поперечного разнесения выделенных ориентиров. Модельные расчеты определения точности позиционирования на априори неизвестной сцене для ЦТСС со стереобазой – 0,5 м, фокусным расстоянием ВК – 8 мм, размером пикселя 3 мкм, размером матрицы 12001600; с ограничением глубины зоны измерений диспарантностью > 25 пикселей, при выполнении требования продолжительности наблюдения ориентиров не менее 1/3 от глубины измерений показали среднее увеличение точности позиционирования по глубине измерений при выборе лучшей пары ориентиров по сравнению с одиночными ориентирами в 22 раза.
Личный вклад автора. Все основные научные результаты, аналитические выражения для описания математической и стохастической моделей цифровой телевизионной системы стереозрения; модели возмущающих воздействий, имитирующих рассогласования параметров цифровой телевизионной системы
стереозрения; выражения для оценки точности позиционирования; компьютерное моделирование калибровки цифровой телевизионной системы стереозре-ния; моделирование процесса позиционирования на априори неопределенной сцене; анализ результатов моделирования и формулировка подходов к обоснованию требований к параметрам цифровой телевизионной системы стереозре-ния, приведенные в диссертации, получены автором лично.
Результаты диссертационной работы использовались в НИР регистрационный № 8.5764.2011 «Разработка и исследование технологий эффективной защиты данных в интернет, персональных и сетевых геоинформационных системах»; при проведении исследовательских работ по гранту РФФИ 12-08-00051_а «Стратегия оптимального выбора, ранжирования и прогнозирования отсева пар ориентиров из априорно неизвестного набора для повышения точности позициониро вания автономног о мобильного робота по данным бортовой цифровой системы стереозрения»; а также в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях: IV Всероссийской мультиконференции по проблемам управления, «МКПУ – 2011», 3 - 8 октября 2011, с.Дивноморское [14]; Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Компьютерные и информационные технологии в науке, инженерии и управлении», «КомТех-2012», 6-8 июня 2012, Таганрог [1]; XIV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», «ПУМСС – 2012», 19-22 июня 2012, Самара [8]; XV Международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах», «ПУМСС – 2013», 25-28 июня 2013, Самара [15]; VI Всероссийской мульти-конференции по проблемам управления, «МКПУ – 2013», 30 сентября - 5 октября 2013, с.Дивноморское [13]; V Международной научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика» 8 - 11 октября 2013, Пятигорск [7,12].
Публикации. Результаты работы по теме диссертационного исследования отражены в 15 статьях, написанных самостоятельно и в соавторстве с научным руководителем, из которых 6 статей [1-6] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования основных результатов диссертационных исследований.
Положения, выносимые на защиту:
-
Приемлемая точность и объективность измерений точечных объектов наблюдаемой сцены цифровой телевизионной системы стереозрения с унимодальными симметричными распределениями ошибок измерений достигается при ограничении измерительного пространства по глубине измерений, согласованности параметров цифровой телевизионной системы стереозрения и обеспечении уровня отношения сигнал шум в телевизионном изображении не ниже 42дБ;
-
Информационная и корреляционная обработка стереопары специальной сцены применимы для калибровки цифровой телевизионной системы стереозре-ния, контроля согласованности ее параметров во время штатной работы, а также измерений рассогласований параметров цифровой телевизионной системы стереозрения;
3. Повышение точности позиционирования на априори неизвестной сцене с обеспечением преемственности измерений цифровой телевизионной системы стереозрения достигается путем выбора пар ориентиров, удовлетворяющих одновременно требованиям продолжительности наблюдения, одинаковой удаленности и максимального разнесения в поперечной линии визирования плоскости измерений.
Структура диссертации. Диссертация состоит из 4 глав, введения, заключения и двух приложений. Общий объем диссертации 200 страниц, включая 93 иллюстрации, 31 таблицу, приложения на 12 страницах, список литературы из 100 наименования на 8 листах, включающий в том числе 15 работ автора, написанных самостоятельно и в соавторстве с научным руководителем, отражающие материалы диссертации.
