Введение к работе
Актуальность проблемы. В автоматизации многих областей деятельности человека находят все более широкое применение системы технического зрения (СТЗ). Например, СТЗ (или системы малинного зрения) используются в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, сфере обслуживания, медицине, биологии, космосе, военном деле и учебном процессе. Применение СТЗ в автоматизации производства предусматривает использование их для очувствления и адаптации роботов и робототехни-ческих комплексов, в которых зрительная система является элементом системы управления, а также для контроля геометрических характеристик объектов и проверки состояния поверхности материалов и конструкций, где СТЗ выступает в качестве информационно-измерительной системы.
Однако широкое внедрение СТЗ в народное хозяйство страны значительно сдерживается из-за того, что не разработаны простые СТЗ. обладающие совокупностью таких качеств, как автономность, универсальность (способность работать с широкой номенклатурой контролируемых объектов и с разнообразными видами потребителей информации), малые габариты, :;ес и стоимость, высокие быстродействие и помехоустойчивость, способность распознавать цвет и форму и с заданной точностью определять ориентацию и местоположение изделия в рабочей зоне, а также простота в обслуживании.
Одним из наиболее перспективных методов решения поставленной задачи является разработка СТЗ на основе корреляционно-экстремальных систем (КЭС), извлекающих необходимую информацию путем анализа корр-ляционной функции (или взаимно-корреляционной функции - ВКФ) сравниваемых изображений-текущего и эталонного (ТИ и ЭИ). КЭС, характеризуемые высокими точностью,и помехоустойчивостью работы, широко используются в навигации по картам местности для определения местоположения летательных аппаратов (самолетов, ракет).
Впервые в России в начале 70-х годов начали разработку принципов построения, основ теории и экспериментальных образцов навигационных КЭС А. А. Красовский, И. Н. Белоглазов и В.П.Тарасенко. Большой вклад в вопросы синтеза и анализа
КЗС различного применения внесли также ученые России к СНГ А.М.Кориков, Г.П.Чигин, В.И.Алексеев.А.Г.Буймов, В. К. Бак-лицкий, В. Н.Жовинский, В.Ф. Арховский, С. Ф.Козубовский, В.А.Ковалевский, Л.П.Ярославский и Е.П.Путятин. Дальнейшее развитие КЭС и поиск новых приложений привело к создании нового класса СТЗ - корреляционных СТЗ (КСТЗ).
В значительной степени возникновении КСТЗ способствовали работы, проводимые в Сибирском физико-техническом институте (СФТИ) им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете (ТГУ), Томском институте АСУ и радиоэлектроники (ТИАСУР) и институте физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАіЧ (г. Томск). Настоящая работа тесно связана с этими исследованиями, с планами хоздоговорных и госбюджетных работ СФТИ, ТИАСУРа, ШШ, а также с международными контрактами и с темами, выполняемыми в ИФПМ в рамках программ Российской Академии Наук, Миннауки и Госкомвуза России.
Основная цель работы состоит в разработке нового научного направления - создание перспективного класса зрительных систем - телевизионных КСТЗ сразнения изображений различных размерностей и цветностей. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать обобщенную схему алгоритма корреляционного сравнения телевизионных изображений, обосновать выбор параметров ЗИ, аналитически исследовать помехоустойчивость КСТЗ при сравнении точечных и протяженных изображений и синтезировать методы пространственной фильтрации помех.
-
Обоснавать корреляционные алгоритмы сравнения трехмерных и цветных изображений.
. 3- Рассмотреть вопросы метрологии КСТЗ, включая анализ погрешностей и поверку КСТЗ.
-
Разработать структуру, состав и основные элементы системы автоматизированного проектирования (САПР) КСТЗ.
-
Разработать и исследовать телевизионные- КСТЗ сравнения изображений различных размерностей и цветностей.
-
Исследовать вопросы применения КСТЗ для решения различных практических задач.
Методы исследования. В качестве основных методов исследования в работе использованы методы распознавания образов, автоматизированного проектирования, цифрового моделирования
на ЭВМ и метрологии, теории корреляционно-экстремальных систем, теории вероятностей, функционально-стоимостного анализа, математической статистики, математического анализа, аналитической геометрии и геометрической оптики. В работе также применен метод физического моделирования (макетирования).
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Обобщенная схема алгоритма корреляционного сравнения изображений; результаты аналитических исследований по выбору параметров ЭИ и помехоустойчивости системы; алгоритмы сегментации изображений и методы пространственной фильтрации помех ТИ, ЭИ и БКФ, корреляционные алгоритмы сравнения двух- и трехмерных изображений различной цветности.
-
Метрологическое обеспечение КСТЗ, классификация погрешностей и погрешности, вызванные ошибками изготовления блокоз КСТЗ (погрешности накопителя ТИ, оптического коррелятора и анализатора корреляционных функций) и условий эксплуатации КСЇЗ (ошибки установки датчика ТИ, ошибки из-за искажения изображения вследствие изменения ориентации датчика ТІ! относительно объекта л неравномерности освещенности сцены с объектом).
-
Схема САПР КСТЗ, структурный и параметрический синтез КСТЗ, методику инженерного расчета КСТЗ и методику определения допустимой погрешности; аппаратно-программный комплекс на базе микроЗВМ с устройствами ввода изображений.
-
Структурные схемы, реализации и результаты исследований аналоговых, аналого-цифровых и цифровых КСТЗ, сравнивающих изображения различных размерностей и цветностей.
-
Уравнения преобразования выходных сигналов КСТЗ в сигналы, управляющие потребителями информации; структурные схемы и результаты исследований роботов с КСТЗ, предназначенных для сортировки изделий и контроля топологии печатных плат и фотошаблонов; структурные схемы, реализации и результаты исследований КСТЗ, предназначенных для контроля различных параметров полупроводниковых изделий и неразрушащего контроля поверхности материала, а также КСТЗ для местоопре-деления роботов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Обоснованы принципы построения телевизионных КСТЗ
сравнения изображений различных размерностей и цветностей. обеспечивавдих решение широкого круга практических задач; предложена схема алгоритма корреляционного сравнения изображений; рассмотрен выбор параметров ЭИ, проведено исследование помехоустойчивости КСТЗ, сравнивающей точечные и протяженные изображения, синтезированы методы пространственной фильтрации помех ТИ, ЭИ и ВКФ.
-
Синтезированы эффективные (прецизионные, быстродействующие, помехоустойчивые) методы сегментации изображений, формирования и анализа корреляционных функций предложены и исследованы телевизионные КСТЗ аналогового, аналого-цифрового типов, осуществляющих сравнение изображений различных размерностей и цветностей; исследовано применение КСТЗ для решения различных практических задач.
-
Разработано метрологическое обеспечение КСТЗ, предложена классификация погрешностей КСТЗ, вызванных влиянием различных факторов на точностные характеристики КСТЗ (погрешностей блоков системы, установки датчика ТИ, неравномерностью освещенности рабочей зоны с объектом и его смещением относительно датчика ТИ).
-
Предложена итерационная схема САПР КСТЗ и разработана структурная (на основе функционально-стоимостного анализа) и параметрическая (при минимизации случайной погрешности и затрат на реализацию системы) оптимизации КСТЗ, дан расчет оптический, быстродействия и емкости памяти, создан аппарат-но-програмный комплекс для синтеза и анализа КСТЗ, включающий микроэвм, устройства ввода изображений и устройства формирования и управления рабочей зоной.
Оригинальность разработанных КСТЗ подтверждена 37 авторскими свидетельствами на изобретения.
Практическую ценность работы составляют:
-
Результаты исследования и варианты технической реализации КСТЗ, рекомендации по изготовлению элементов КСТЗ, выбору ТИ и ЭИ, режимов работы накопителя ТИ и исполнению рабочей зоны.
-
Варианты технической реализации адаптивных роботов с КСТЗ и результаты применения КСТЗ для решения различных практических задач.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Диссертация является обобщением результатов, полученных з СФТИ, ТИАСУРе и ИФПМ в процессе выполнения при участии автора или под его научным руководством в течение 1974-1994 годов научно-исследовательских работ, осудестзлявшихся по постановлениям ГКНТ и Совета Министров СССР, Академии Наук СССР, МинВУЗа СССР и РСФСР, Правительства России, йикнау-ки и Госкомвуза России и Российской Академія Наук. Результаты внедрения диссертационной работа отражены в актах знсдре-иия на сукну 773500 рублей {в ценах на 20.Q9.9D и на сумму 8,39 млм.рубл'зл (в ценах на 1.10.94).
Результаты ра5оты использованы в СОТИ, ТЛАСУРе, п/я Г-4467, организации "Гехнотроя-. ЙФІИ, Российская ї.іатеряало-ведческо(< центре (РосКЦ) и Курском политехническом институте (КПИ) при разработке л выпуске аятюртстчеогого, гппаратур-ного и прогрзкякого обеспечения СТЗ различного назначения. 3 эти организации переданы научно-техническая документация. пакеты прикладных програма я варианты СТЗ (или кх подсистемы) . Результаты диссертации использованы при вшо-енєяее международных проектов по договорам с фирмой ~нится*' (Япония)
И СОВМеСТНЫМ РоССИЙСКО-аНГЛИЙСКИК Предприятием "ISPM-Inter-
national Ltd". Результаты исследований использованы в учебном процессе з ТИАСУРе и КПИ.
Достоверность полученных в работе выводов и рекомендаций подтверждается теоретическим анализом предложенных гипотез и использованных допущений, результатами моделирования на ЭВ?Л и испытаний вариантов КСТЗ.
Апробация работы. Основные положения работы и отдельные раздели диссертации докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах: D региональные на-цучно-практические конференции молодых ученых и специалистов Томской области (г.Томск, 1977, 1986); г) областные научно-технические конференции, посвященные дню радио (г. Новосибирск, 1979, 1980): з) перзая Всесоюзная конференция "Корреляционно-экстремальные системы управления" (г.Томск, 1979); -1) Всесоюзные семинары "Роботы и робототехнические системы" (г.Москва, МВТУ км.Н.Э.Баумана, 1979, 1980, 1983); 5) vii Всесоюзное совещание по проблемам управления (г.Таллин, 1980); 6) ш, iv, v Всесосзные совещания по робототехнике (г.Воронех, 1984; г.Киев, 1937; г.Геленджик, 1990); 7)
Всесоюзный симпозиум "Зрение организмов и роботов" (г.Вильнюс, 1985); 8) Всесоюзный семинар "Механика и управление движением роботов с элементами искусственного интеллекта" (г.Москва, ИПМ им.М.В.Келдыша АН СССР, 1985); 9) VI Всесоюзная научно-техническая конференция "Измерительные информационные системы" (г.Ташкент, 1987); 11) IV, v Всесоюзные совещания "Координатно-чувствителькые фотоприемники и оптико-электронные устройства на их основе" (г.Барнаул, 1987. 1989); 12) VI Всесоюзная конференция "Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной' информации-(г.Москва, 1987); із) Всесоюзная научно-техническая конференция {г.Гродно, 1988); 14) Всесоюзное совещание-семинар "Фотоэлектрические цифровые преобразователи угловых и линейных перемещений" (г.Горис Армянской ССР, 1988); 15) I и II Республиканские семинары "Проблемы создания систем обработка, анализа и распознавания изображений" (г.Ташкент, 1988, 1989); 16) Республиканская и Всесоюзная конференции "Разработка систем технического зрения и их применение з промышленности" (г.Ижевск, :988; г.Уфа, 1992); 17) iv, v Всесоюзные совещания "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе" (г.Барнаул, 1988, 1990); 18) Республиканская конференция "Оптоэлектронные датчики для ро-бототегнических комплексов и ГПС" (г.Фергана, 1988); 19) семинар "Применение оптико-электронных приборов и волоконной оптики в народном хозяйстве" (г.Москва, Московский ДНТІІ им. Ф.Э.Дзержинского, 198S); 20) Всесоюзная конференция "Оптико-электронные измерительные устройства и системы (г.Томск, 1989); 21) Всесоюзная научно-техническая конференция "Информг ;ионные измерительные системы" (г.Ульяновск, 1989); 22) Координационное совещание социалистических стран по физическим проблемам оптоэлектроники (г.Баку, 1989); 23) 1-ый Международный симпозиум по измерениям и контролю в робототехнике (Хьюстон, США, 1990); 24) Международная конференция "Обработка изображений-и дистанционные исследования" (г.Новосибирск, 1990); 25) і Международная конференция "Информационные технологии в анализе изображений и распознавании образов" (г.Львов, 1990); 26) семинар "Оптико-электронные методы и средства в контрольно-измерительной технике " (г.Москва, Московский ДНТП им. Ф.Э. Джержинского, 199D; 27)
І Всесоюзная конференция "Распознавание образов и анализ изображений: новые информационные технологии" (г.Минск, 1991); 28) Всесоюзная научно-техническая конференция с международным участием "Микросистема-91" (г.Суздаль, 199D; 29) Всесоюзная научно-техническая конференция с международным участием "Проблемы информатики" (г.Самара, 1991); 30) международный симпозиум "Визуальный анализ и интерфейс" (г.Новосибирск, 1991); 3D II Всесоюзная конференция "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов" (г.Барнаул, 199D; 32) Международная конференция по компьютерной графике и обработке изображений (Польша, 1992); 33) IV конференция с международным участием: "Приборы с зарядовой связью и системы на их осе ве" (г.Геленджик, 1992); 34) Международная конференция "Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации" (г.Курск, 1993); 35) iv Европейская конференция - выставка по материалам и технологиям "Восток-Запад" (г.Санкт-Петербург, 1993); 36) Международный семинар-выставка "Компьютерное конструирование новых материалов и технологий" (г.Томск, 1993); 37) II Китайско-Российский симпозиум "Новые материалы и технологии" (г.Томск, 1993); за) на семинарах и совещаниях отдела кибернетики СФТИ, кафедрах оптимальных и адаптивных систем управления (ОАСУ) и информационно-измерительной техники (ИИТ) ТИАСУРа, отдела структурно-неоднородных сред ИМ1М.
Действующие образцы КСТЗ экспонировались на ВДНХ СССР (павильоны "Машкостроение", "Физика" и "Газовая промышленность") в 1979-82 годах и удостоены Диплома I степени Главного Комитета Выставки, а автор награжден серзбрянноЯ и двумя бронзовыми медалями. Варианты и рекламные материалы экспонировались также на Всесоюзной выставке "Прогресс-87" (г.Москва, 1937), международных выставках-ярмарках товаров (г.Томск, Технопарк, 1989, 1990), международной специализированной . выставке-ярмарке "Современные системы обработки изображения и их применение" (г. Москва, МНПО "Спектр", 1990г.), международной выставке-ярмарке "СИБ-91" (г.Кемерово, 1991).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 121 работа, г. том числе 4 монографии, 27 статей; получено 37 автор-
сккс свидетельств на изобретения; при этом 13 печатных работ опубликованы в международных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена па 575 страницах к поясняется 17і рисунками к фотографиям;; и Z5 таблицами, имеет список литературы на бо страницах, включающий 529 источников и приложение на 28 страницах.
