Введение к работе
Актуальность темы. На современном этапе развития общества взаимодействие ладен между собой, с окружапц?й средой или объектами инженерной деятельности, с процессами, охватывающими их в і-кде практики производства или научных исследовангй. не мыслимо без восприятия изображений. <Ьеномен зрительного восприятия человеком изображения велик и важен пе только с точки зреіг.'я получения разнообразной информации, обеспечения жизнедеятельности лад* ft, но и является одним из основных и главных источников развития как самого человека, познавдрго нопое, так п для решения многих научных и практических задач, в которых исполняются либо сами изображения, либо результаты их анализа .
Моюго перечислить массу приложений, которыми объясняется повышенный интерес к проблемам восприятия, интерпретации и описания движения по последовательности или набору изображений. Автоматическое слежаїше за Оыстродвижущимися автомобилями, их регистрация интересуют работников ГАМ. Автоматическое слек-лгие за подвижными объектами, их распознавание и управление ими позволяют ароматизировать многие слоклые и опасные для человека науччие и техн .логические процесси. Обработка и изучеішо изображений, полученных со спутников, дают возможности [федсказывать погоду и определять наличие природных ресурсов. Перечисленные ггиморы свидетельствуют о разнообразии задач, для которых определение параметров объектов и их.движения по ТВ изображу %і имеет важное значение.
" При решении ряда задач в космической практике используются громадные обгемы ьидёошгТормации, что обуславливает необходимость автоматизации их обработки в реальном масштабе времени. Основная роль е. технику обработки изображений ігринпдлежит вычислительным і'истомам, систч-м.'Я прикладного толегидеїлія и машинного зрения, позьоляицим не только освободить чел< п»>кз от трудоемких операций, н<> и обеспечить болов высокую точность и надежность выполняемых процессов.
ІГгї современном этане различает два интенсивно развив-оссихся направления прикладного телевидения (TD). Это юііюрмпіціонш -измерительные и упрааляпцие ТВ системы. При этом основное внимании уделяется или ноиым мотодологическим прлщипйм ТВ, или применению суцествуших ТБ ср^ств для реыяшл конкретных задзч обработки я отобрлжания иініормаїши по падашюму классу объектов. Спті!М'«льнооть
структуры построения прикладной ТВ системы или принятых алгоритмов обработки видеоинформации в конечном итоге определяет эффективность функционирования всей системы в целом. Хотя многие научные и практические решения вопросов построения прикладных ТВ систем находят должное отражение в публикациях и практических работах, вместе с тем рассмотрение вопросов получения, обработки и отображения видеоинформации в реальном масштабе времени для решения задач анализа изображений находится на начальном или промежуточном. этапе развития, а в ряде случаев изучены не полно или вообще не изучены. Сюда следует отнести прикладное ТВ в структуре информационно - измерительных систем космических аппаратов (КА), предназначенных для решения широкого класса задач, связанных с собственными нуждами пилотируемых или беспилотных КА, дистанционным зондированием поверхности Земли, некооперируейнми космическими объектами и.т.д. Поэтому исключительно актуальными являются проблемы развития и создания новых методов, алгоритмов, технических и программных средств для указанного применения прикладного ТВ.
Исследование и решение целого комплекса задач, связанных с разработкой телевизионного аналога радиотехнической системы, несомненно определяет актуальность данной работы.
Цель работы. Целью настоящей работы является исследование методов и разработка алгоритмов пространственной селекции сигналов ТВ изображений космических аппаратов в процессе их сближения и стыковки. Для достижения поставленной цели пообходимо решение следующих задач:
1. Исследование реальных ТВ изображений, отоСражайцнх процесс
сближения и стыковют КА для определения основного набора
признаков, однозначно описыващих эти объекты;
2. Разработка методов и устройств оперативного ввода ТВ
изображений КА в память ЭВМ в режиме прямого доступа для
обеспечения работоспособности системы в реальном или квазирезлыюм
масштабе времени;
3. Разработка простых и наиболее быстродрйствугаих методов и
алгоритмов сжатия исходных объемов ТВ изображений КА, посколіку
чорно-белое изображение вещательного стандарта требует около 2,2
мегабит памяти и на обработку такого огромного мас-ипа д-шных
требуются большие затраты времени;
4. Разработка простых и быстродействующих мстом>{) и
.-5-
алгоритмов обработки ТВ изображений КА, позволяющих осуществить високоточную селекцию элементов поверхности КА'! для последующего определения параметров его движения в авкжат^еок^г'рвіиме'і"'"'-?::Г'
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались метода математического анализа, математической, статистики и операционного исчисления. Проводилось макетирование и натурные испытания. г -,.„,., ,
--И-Ї.-...Л.0 л. ---..1...,.^.. -. „.і ,
- '—*" M-'DOiinor ені.тг^оО. .S
Научная новизна. полученных результатов состоит в следующем: I.. Проведен анализ структури реальных оптических изображений КА и определены пути построения входного звена автоматизированной ТВ информационно-измерительной системы, предназначенн; й для определения параметров относительного движения КА на участке "причаливания" в реальном или квазиреальном масштабе времени;
-
Разработан алфавит признаков для штатных режимов сближения и стиковки КА, при помощи которого осуществляется поиск и селекция элементов поверхности КА на меняпцчмея фоне;
-
Разработаны устройства ввода ТВ изображений КА в память ЭВМ для обеспечения максимально возможного быстродействия ввода и доступа к данным для их дальнейшей обрай. гки в реальном или квагиреальном масштабе времени;
-
Разработаны простые и наиболее быстроАоЛс-'яующие методы н алгоритмы сжатия исходных объемов ТВ изображений КА;
5. Разработаны быстродействующие методы и алгоритмі
пространственной селекции реальных ТВ изображений КА на этапе их
сближения и стыковки;
f. Разработано программно - аппаратное обеспечение вводя и обрц\/тки видеоизмерительной информации, обеспечивающее определение координат характерных эломентов конструкций на поверхности КА по ого изображению;
7. Проведена сравнительная оценка точности измерения относительной дальности КА по ТВ изображениям по отноаонив к дшпшм радиотехнической системы на участке "причалившші" п определены пороговые границы расстояний для измерения параметров.
Практическая ценность работы состоит а том, что выполненные
исследования и разработки позволяют создать новые ТВ средства разлічного назначения в структуре ' информационно-измерительных систем, Используемых в космической практике. Результаты работы обеспечивают:
1. Пространственную селекцию движущихся объектов ТВ
изображении в автоматическом режиме в реальном или квазиреельном
масштабе времени;
-
Повышение точности измерения параметров относительного движения КА в процессе их сближения и стыковки;
-
Создание полностью автоматизированных ТВ информационно-измерительных систем для нуад космической практики;
-
Повышение надежности и безопасности процесса сближения и стиковки, а так г» оперативности управления полетами КА.
Разработанные методы обработки изображений могут также использоваться для автоматического контроля других подвижных объектов народно-хозяйственного значения.
' Оригинальные технические решения, предложенные в диссертации, защищены пятью авторскими свидетельства на изобретения.
Реализация и внедрение результатов исследовании.
Диссертационная работа выполнена на основе плановых хоздоговорных НИР, проведенных для НПО "Энергия". Основные теоретические положения диссертационной работы использованы при разработка ТВ средств для. измерения параметров относительного движения КА, которые используются в составе информационно-измерительных систем в центре управления полетами.
Аппробация работа. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения докладывались и обсуждались:
- на научно - технических конференциях (НТК).профессорско -
преподавательского состава и сотрудников ТЭИС в 1988, 1989, 1990,
1991. 19Э2, 1993. 1994 годах;
- на республиканской НТК "Методы управления технической
диагностикой и, восстановление работоспособности влементов сетей
связи". Ташкент 1988г;
на республиканской НТК "Техника телевидения и современность. Этапы- развития и основные направления совершенствования". Ташкент 1988т; .
- на республиканской НТК "Проблемы развития и эксплуатации
- 7-.
междугородной и международной телефонной связи в республике Узбекистан". Ташкент 1993г;
- на НТК Теспубликанииг алока тармот;: ва тазимлэршш ракнмлаштириш". Ташкент 1994г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 р.збот, в том числе получено 5 авторских свидетельств.на изобретения.
Структура диссертации.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения н списка литературы из 149 наименований на 15 страницах. Основной текст содержит 155 страниц и иллюстрируется 41 рисунком и таблицами.
Основные результати, представлявше к загато.
-
Принципы ввода телевизионных изображений КА в пенять' специализированной ЗВИ, которые позволяют осуществлять ввод ТВ кадра в реальном масштабе времени и обеспечивать прозрачный доступ к дыншм непосродственно во время ввода. Это позволяет проводить анализ вводного кадра, нэ дожидаясь скончаїпія его вводя, т«м самим улучшая бистродействие системи;
-
ПрИНЦИПЦ ПОСТрООШІМ ПрОГраЧ-ЛЮ-ТвХНИЧОСКОГО ССОСИОЧй'ШЯ
предварительной обработки ТВ нзображогагй КА, .-"т^рые обеспечивают эффективное С!г.::кеіше затрат мааинного Бремени при обработке изображений и позволяют использовать простые ,! "^стродойстБувдие алгорн-пш;
3. Гыстродействуищкз алгоритмы, обеспечивающие но:бходімую
предварительную обработку ТВ изображений КА (преобразование
мнегоградациошгого ТВ изображения в двухградационнее, подавление
високочастотного шума и импульсных помех, выделение контуре:?),
кот- рио повиаают эффективность пространственней селекции элементов
конструкція! КА;
4. Методы ГЮЕЫШ81ШЯ быстродействия алгоритмов предварительной
обработки изображения, которые адаптируют наиболее мэдлителыше
алгоритмы под конкретное изобрагониэ, пропуская без коррекции
однородные участки изображения. Это позволяет существенно снизить
требуемые затрати машинного времеші и обеспечить обработку ТВ
изобракений 1СА в реальном или квазиреалыюм маситобо времени;
5. Методы селекции контуров элементов поверхности КА при
операциях сближения и стыковки, проводит в штатных условиях.
которые позволяют определить по изображению КА координаты характерных точек его контура, используемые для последующего определения.параметров его дБіжения в реальном али кваэирвальном масшта/te времени;
6. Экспериментальные . днняые оценки точности . измерения относительной дальности КА на специализированное ЭВМ "АЛЬФА-2" по отношению к денним радиотехнической системы на участке сближения а стыковки.. " '', --;''
