WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:     || 2 |

«Дикарев Александр Васильевич ДВУХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность) Диссертация на ...»

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Дикарев Александр Васильевич

ДВУХУРОВНЕВАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

ДЛЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТИЗИРОВАННЫХ КОМПЛЕКСОВ

05.13.01 – Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Волгоград – 2014 1   

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА

ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ

1.1 Классификация СТЗ, работающих в составе МРК 1.2 Условия формирования модели изображения в СТЗ МРК 1.3 Кинематическая схема МРК 1.4 Выводы

2. МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СТЗ МРК

2.0 Введение 2.1 Движение МРК по неровностям 2.1.1 Характеристики неровностей дорожного покрытия 2.1.2 Виды колебаний МРК 2.2.2.1 Вертикальные колебания МРК 2.2.2.2 Продольно-угловые колебания платформы 2.2.2.3 Поперечно-угловые колебания платформы 2.3 Выводы

3. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ МРК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЗ

3.0 Введение 3.1 Формирование плоского изображения сцены 3.2 Влияние характеристик СТЗ МРК на качество изображения 3.3 Выводы

4. АНАЛИЗ ИСКАЖАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО

ОСНОВАНИЯ НА ИЗОБРАЖЕНИЕ, ПРОДУЦИРУЕМОЕ СТЗ

4.0 Введение 4.1 Методика определения условий движения МРК 4.1.1 Определение воздействий дорожного покрытия в продольном направлении на линейные и угловые колебания СТЗ 2    4.1.2 Определение воздействия дороги на поперечные колебания МРК 4.2 Связь параметров СТЗ с параметрами движения МРК 4.2.1 Основные геометрические соотношения в СТЗ 4.2.2 Условия наблюдения точки при линейных вертикальных колебаниях 4.2.3 Условия наблюдения точки при угловых продольных колебаниях 4.2.4 Условия наблюдения точки при угловых поперечных колебаниях 4.2.5 Условия наблюдения точки при маневрировании по углу курса 4.2.6 Условия наблюдения точки при продольном движении МРК 4.2.7 Анализ условий наблюдения изображений при движении МРК 4.3 Выводы

5. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

СТЗ МРК

5.0 Введение 5.1 Оценка предельных характеристик колебаний СТЗ МРК 5.2 Разработка схемы системы стабилизации СТЗ 5.2.1 Проектирование блока программной коррекции изображения 5.2.1.1 Определение межкадрового смещения программными методами 5.2.1.2 Вычисление межкадрового смещения на основе данных о перемещении фотоматрицы 5.2.1.3 Выбор метода устранения смаза и межкадрового смещения 5.2.2 Проектирование блока стабилизации угловых отклонений СТЗ 5.3 Результаты экспериментальной проверки 5.4 Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

3   

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. На сегодняшний день широкое применение находят системы видеонаблюдения, располагающиеся на подвижном основании. К подобным можно отнести различные электронные прицелы, системы целеуказания, видеосистемы кругового обзора, устанавливаемые на специализированной автомобильной, подводной, надводной и воздушной технике, различные системы контроля автоматизированных технологических операций и пр.

В задачах видеонаблюдения и контроля программные средства позволяют в автоматическом режиме оценивать ситуацию и выдавать предупреждения оператору обо всех контролируемых ситуациях. В робототехнических задачах возможно создание образцов с весьма сложным поведением, вплоть до стыковки космических аппаратов или подводных аппаратов. Существует стойкая тенденция к уменьшению непосредственного участия человека в принятии решений, основанных на данных подобных систем. Все большее распространение получают так называемые системы технического зрения (СТЗ), в частности СТЗ мобильных роботизированных комплексов (МРК).

Но, несмотря на прогресс, количество нерешенных задач намного превышает количество решенных. Так, например, подавляющее большинство интеллектуальных СТЗ используют стационарные камеры, алгоритмы сжатия изображения дают значительное снижение качества видео, системы автоматического управления до сих пор не достигли такого уровня, при котором они могли бы полностью заменить оператора, а уровень обработки изображения человеческим глазом до сих пор остается недосягаемым для современных СТЗ.

В случаях, когда СТЗ работает на подвижном основании, такая ситуация является типичной для МРК, для корректной работы интеллектуальных систем управления, использующих информацию СТЗ необходима стабилизация изображения. Она целесообразна как для улучшения восприятия изображения оператором, так и в качестве предварительного шага для большей части алгоритмов компьютерного зрения, рассчитанных на работу со стационарным кадром.

Таким образом, можно констатировать, что успешное решение задач стабилизации изображения является необходимым условием создания и совершенствования современных СТЗ.

классификация негативных явлений, возникающих при работе СТЗ на подвижном основании, разработка эффективных методов их детектирования и устранения, и проектирование архитектуры системы стабилизации изображения с высоким уровнем абстрагирования от конкретных условий её применения.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:



1. Обзор и оценка достоинств и недостатков существующих методов стабилизации изображения;

2. Оценка условий работы СТЗ МРК в плане возмущающих воздействий 3. Разработка архитектуры системы стабилизации изображения;

4. Создание и разработка алгоритмов реального времени оценки геометрических искажений кадров видеопоследовательности, применительно к задачам стабилизации;

5. Создание и разработка аппаратной части системы стабилизации изображения;

6. Создание и испытание экспериментального прототипа программноаппаратного комплекса системы стабилизации изображения.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе используются методы теории вероятностей, теории случайных процессов, вычислительной математики, цифровой обработки математического моделирования и физического эксперимента.

На защиту выносятся следующие новые научные результаты:

1. Корреляционный алгоритм определения межкадрового смещения;

2. Адаптивный фильтр, реализующий насыщение функции невязки при определении геометрических искажений кадров для устранения ложных срабатываний алгоритма определения межкадрового смещения на меняющемся фоне;

3. Алгоритм определения межкадровых смещений с использованием видеокамеры;

4. Архитектура системы стабилизации изображения.

Задача устранения ложных срабатываний алгоритмов определения использованием данных об ускорении, действующем на фотосенсор, при рассмотрении изображения, как колеблющейся массы. На основе рекурсивных фильтров разработан новый алгоритм адаптивной фильтрации определяемых межкадровых смещений, позволивший достичь результатов, сравнимых с аналогами, при значительном снижении объема вычислений.

Практическая ценность и реализация результатов. Результаты работы были использованы в ОАО «НИИ Гидросвязи «ШТИЛЬ» в рамках НИР «Перспектива-2011», ОКР «Позиционер», ОКР «Пичуга», ОКР «Вуокса».

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:

IV Международная научно-практическая конференция «Современное состояние естественных и технических наук» (2011г. Москва);

V научно-практическая конференция «Гидроакустическая связь и гидроакустические средства аварийно-спасательного назначения»

(2011г. Волгоград);

Международная научно-техническая конференция «Экспертиза и оценка риска техногенных систем-2011» (2011г. Череповец);

II Молодежная конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» МАГ-2011 (2011г. Санкт-Петербург);

VII Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления» (2012г. п. Домбай);

XI Всероссийская конференция «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (2012г. Санкт-Петербург);

I международная конференция и выставка «Подводная акустика»

(Underwater acoustics I international conference and exhibition, UAC-2013, Corfu Island, Greece); (2013г., о. Корфу, Греция).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего наименования.

Работа изложена на 136 страницах, содержит 38 рисунков и таблицы.

Анализ существующих решений поставленной задачи, оценка условий функционирования СТЗ на подвижном основании и кинематическая схема МРК приводится в главе 1, механическое воздействие на МРК в случае наземного базирования изложено в главе 2, влияние колебаний МРК на характеристики СТЗ подробно описано в главе 3, в главе 4 проводится анализ условий наблюдения точки при различных видах колебаний и определяются ключевые зависимости, связывающие колебания СТЗ с перемещением изображения по фотоматрице, глава 5 посвящена проектированию системы стабилизации изображения и её экспериментальной проверке.

1. СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ, РАСПОЛОЖЕННЫЕ НА

ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ

1.1 Классификация СТЗ, работающих в составе МРК Классификация существующих конструктивных решений систем стабилизации СТЗ приведена на рисунке 1.1 [17, 1].

Рисунок 1.1 Классификация систем стабилизации изображения Реализации СТЗ, где оптические элементы жестко закреплены на основании широко применяются на различных информационноизмерительных системах, технологических роботизированных комплексах, манипуляторах. Жесткое закрепление в данном случае позволяет определять контролируемые параметры с максимальной точностью (например, монтаж электронных компонентов, автоматическая сварка, контроль сборки и пр.).

Подобные системы, как правило, работают с контрастными элементами, специально включаемыми в поле зрения камер, что позволяет производить привязку линии визирования, неподвижной относительно рабочего органа, к системе координат технологического пространства [2]. Включение в конструкцию элементов, понижающих жесткость связи рабочего органа и камеры, приводит к усложнению зависимостей, описывающих перемещение камеры в пространстве, что в свою очередь приводит к усложнению алгоритма позиционирования рабочего органа робота.

Другое применение жестко закрепленных СТЗ представляют системы обзора, к которым относятся панорамные и купольные системы. В данном случае, подвижное основание позволяет расширить поле зрения камеры, обеспечивая при этом жесткую ориентацию положения главной оптической оси камеры относительно неподвижной системы координат.

Панорамные системы обеспечивают полный круговой разворот камеры только в одной из плоскостей, например, в азимутальной. Купольные системы обеспечивают полный круговой разворот в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостей, и разворот в диапазоне 0°90° в другой плоскости, что позволяет вести обзор полусферы пространства.

Применение СТЗ на основании, перемещающемся в пространстве [1, 13], при использовании, например, в составе подвижных наземных, морских, авиационных и космических объектах, в том числе и МРК создает некоторые проблемы.

Так, с одной стороны, при движении транспортного средства для обеспечения условий работы регистрирующей аппаратуры необходимо обеспечивать неподвижность линии визирования в пространстве, с другой – сохранять ориентацию в соответствие с текущим положением подвижного основания [14]. В реальных условиях движение транспортного средства сопровождается его дополнительными случайными колебаниями относительно заданной траектории. В случае с МРК причиной колебаний являются неровности дороги, для морских транспортных средств это волнение водной поверхности, для воздушных транспортных средств – наличие ветра, восходящих потоков и турбулентности. Наличие колебаний приводит к необходимости использования амортизаторов – устройств, для смягчения случайных силовых воздействие на корпус транспортного средства.

Для МРК и других подвижных наземных объектов в качестве амортизаторов используют упругие подвески различных конструкций:

торсионные, пружинные, рессорные, гидравлические, пневматические, пневмогидравлические [16]. В ряде транспортных средств, в качестве основных амортизаторов (или в дополнение к одному из вышеперечисленных типов) применяют прокладки из упругих материалов, например, пневмоцилиндров помимо амортизации обеспечивается частичное демпфирование за счет вязкого трения в рабочем теле и за счет сухого трения поршня в цилиндре.

Под демпфированием принято понимать принудительное подавление колебаний СТЗ, либо уменьшение их до допустимых пределов при помощи устройств, поглощающих энергию колебаний, т.н. демпферов. Главным образом демпфирование механических колебаний СТЗ обеспечивается рассеиванием энергии колебаний за счет сил трения, возникающих при перемещении одних конструктивных элементов демпфера относительно других в жидкой или газонаполненной среде. В магнитодинамических демпферах осуществляется преобразование механической энергии движения элементов конструкции друг относительно друга в электрическую, которая в свою очередь рассеивается в виде джоулевой теплоты.

В тех случаях, когда к изображению применяются высокие требования по качеству, а возмущения, возникающие вследствие внешних воздействий являются значительными, применяют стабилизацию оптических систем. На данный момент существуют два основных направления создания подобных систем [68, 17].

Первое направление связано с использованием гироприборов, фиксирующих непрограммируемые перемещения подвижного основания в пространстве и вырабатывающих сигналы для управления следящими приводами для компенсации динамических сдвигов изображения. Это направление относится к косвенной стабилизации изображения.

В свою очередь, системы стабилизации на основе гироприборов, подразделяются на системы стабилизации оптического прибора и системы стабилизации отдельных его частей.

Системы стабилизации оптического прибора используют, когда массогабаритные показатели телекамеры невелики. В этом случае всю камеру помещают на гироплатформу. В СТЗ, называемых системами оптического слежения, гироскопический узел применяется не только для сохранения пространственного направления оптической оси камеры при колебаниях основания транспортного средства, но и для ориентирования камеры в пространстве.

Напротив, при значительных габаритах и/или массе камер СТЗ её жестко закрепляют на подвижном основании и обеспечивают стабилизацию только линии визирования [18]. Существуют два способа реализации данной схемы:

- за счет смещения оптических элементов самой регистрирующей аппаратуры (объектива, его отдельных линз, фотоэлектронного преобразователя) - за счет смещения внешних элементов, меняющих направление линии визирования (отклоняющих зеркал, призм, электрооптических дефлекторов).

В таких системах регистрирующая аппаратура колеблется вместе с подвижным основанием, а оптическая ось отклоняется в сторону, обратную его угловому смещению.

Второе направление связано с использованием алгоритмов контроля смещения изображения в плоскости расположения фотоэлектронных преобразователей камеры, и с созданием замкнутых систем стабилизации непосредственно по самому изображению. Одним из главных недостатков подобных схем является необходимость постоянного наличия в поле зрения хорошо различимых объектов, жестко привязанных к земной системе координат, по которым определяется текущее положение линии визирования и вырабатывается сигнал компенсации для стабилизации изображения.

На практике применяется целый ряд систем, для функционирования которых точное определение линии визирования несущественно, вместо этого важным является отсутствие угловых и линейных перемещений изображения во время съемки. Гироскопические приборы, осуществляющие в подобных системах снижение угловых скоростей линии визирования до приемлемого уровня, называются гироскопическими демпферами.

Управление положением оптической оси в демпферах отсутствует [19].

стабилизацию системы с одновременным сканированием местности за счет вращающихся деталей. Подобные приборы носят название гирооптических.

В них вращающиеся оптические узлы (например, торцевые шлифованные поверхности валов электродвигателей) служат как для развертки (сканирования) оптического луча, так и для использования в качестве частей гироскопов.

стабилизации и управлением линии визирования редко используются многоступенчатой. Так, большинство систем стабилизации, помимо активной стабилизации содержат в себе упругие и демпфирующие элементы, т.е.

присущие системам пассивной стабилизации.

В системе с многоступенчатой стабилизацией линии визирования, внешние механические воздействия, например, со стороны дороги, предаются на платформу с жестко установленной камерой посредством движителей (колеса, гусеницы и т.п.) и элементов подвески (амортизаторов и демпферов). При необходимости камеру стабилизируют дополнительно и вводят управление положением луча.

Каждая дополнительная ступень компенсации механических возмущений увеличивает массогабаритные показатели и стоимость всего комплекса в целом, однако наличие промежуточных этапов механической компенсации возмущений позволяет снизить требования к сложной и дорогостоящей гироскопической системе стабилизации и управления.

Очевидно, что существуют два основных варианта улучшения характеристик подобных систем:

стабилизации. Что в свою очередь является оправданным в целом ряде случаев, например, когда все системы комплекса проектируются в условиях жесткой привязки друг к другу и могут быть заранее известны характеристики шасси, массогабаритных показателей и пр.;

- поиск альтернативных гироскопической стабилизации решений, когда система стабилизации является черным ящиком, и когда заранее неизвестны параметры шасси, характеристики подвески и т.д.

В связи с вышесказанным, а так же основываясь на выводах авторов [42, 43] разработка альтернатив гироскопическим системам стабилизации является важной и актуальной научно-технической задачей.

В данной области имеются широкий спектр разработок, выполненных в основном зарубежными исследователями. Так например, чисто программные методики определения движения в кадре берут свое начало в медицинской ультразвуковой диагностике, о чем свидетельствуют патенты [73, 74], не менее востребованной оказалась данная область и для профессиональной и любительской фото- и видеосъемки, впервые в году был зарегистрирован патент на видеосенсор со встроенной компенсацией движения на основе высокой частоты кадровой развертки и мозаичного достраивания изображения [75]. Патенты [76, 77] датируемые 2011 годом говорят о том, что вопросы построения безгироскопических систем стабилизации изображения до сих пор остаются открытыми.

Первые отечественные разработки в данной области знания относятся к работам [78, 79] и связаны с такими организациями как ЦНИИ Электроника и МГТУ им. Баумана.

исключительно априорной неопределенности и основываются только на данных видеоизображения. Как замечено в работе [11], для всех известных на данный момент чисто алгоритмических методов существует т.н. проблема меняющегося фона, когда методика не позволяет отличить собственные движения носителя от изменяющегося фона изображения.

стабилизации изображения на основе синтеза алгоритмических методов определения геометрических преобразований кадров с внесением в них априорных сведений относительно характера собственного перемещения носителя и аппаратной (силовой) стабилизации.

1.2 Условия формирования модели изображения в СТЗ МРК Моделью изображения называется электронный образ наблюдаемой местности на выходе видеосенсора, который представляется собой многоэлементный и/или сканирующий фотоэлектронный преобразователь.

Схема формирования модели изображения приведена на рисунке 1.2, где показаны АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; БПД - блок передачи данных [7, 8, 6].

Наблюдаемая СТЗ МРК область пространства называется сценой.

Если сцена освещается внешним источником, создающим трехмерный поток видимого света Ф,,,,, в общем случае изменяющимся в земных координатах,,, во времени и по длине волны, то информация о сцене переносится отраженным световым потоком Ф,,,,. В некоторых случаях объекты сцены сами являются источниками света Ф,,,,.

Далее в системе световой поток проходит через объектив, в котором он фокусируется. В некоторых СТЗ с цветным зрением производится дополнительное разделение светового потока на компоненты: красный, зеленый и голубой. Вследствие того, что прохождение сигнала по каждому цветовому компоненту идентично, далее принимается к рассмотрению черно-белое изображение, либо один из компонентов цветного без учета длины волны.

Рисунок 1.2 – Функциональная схема формирования изображения Рисунок 1.3 – Расположение пикселей в фотоэлектронном преобразователе Объектив фокусирует световой поток в некоторой плоскости, формируя в ней распределение интенсивности излучения B(Y,Z,t), воспроизводящее сцену в двух координатах Y,Z и во времени t. Как правило, в этой плоскости располагается фотоэлектронный преобразователь. Свяжем данную плоскость с системой координат YOZ, центр которой совпадает с геометрическим центром фотоэлектронного преобразователя, а оси OY и OZ ориентированы по его сторонам. Двумерная модель сцены формируется в фокальной плоскости объектива, если передний отрезок много больше фокусного расстояния, либо в плоскости изображения, если они соизмеримы.

Фотоэлектронный преобразователь вырабатывает электрическую величину, потенциал U(Y,Z,t), пропорциональный каждой точке (Y,Z) в плоскости YOZ яркости засветки B(Y,Z,t). Одновременно фотоэлектронный преобразователь сканирует плоскость изображения и является дискретизирующим элементом, преобразующим пространственное распределение потенциала U(Y,Z,t) в последовательный аналоговый электрический сигнал U(t).

Фотоэлектрический преобразователь (светочувствительная матрица) представляет собой специализированную аналоговую или цифро-аналоговую интегральную микросхему, состоящую из светочувствительных элементов — фотодиодов.

Светочувствительная матрица разбита на Ny x Nz элементарных фоточувствительных ячеек - фотосенсоров, каждый из которых имеет геометрические размеры x мм (см. рисунок 1.3). Координаты подобного сенсора определяются координатами его геометрического центра, соответственно, размер всего преобразователя NY x Nz мм.

преобразующего этот сигнал в цифровой код dmn. Код передается посредством блока передачи данных БПД на дистанционно расположенное средство анализа изображений.

имеющую размеры Ny x Nz. Элемент матрицы является результатом измерения усредненной яркости света, попадающего в объектив (mxn)-й элементарной фоточувствиетльной ячейки и представления измеренной величины в виде цифрового кода. Такая модель называется растровой или факсимильной цифровой моделью изображения (ФЦМИ). Элементы такой модели называются пикселями.

Общими для всех светочувствительных матриц являются такие характеристики как светочувствительность (более коротко чувствительность) и отношение сигнал/шум [20], разрешение (разрешающая способность) и физический размер матрицы.

К матрицам применяется термин эквивалентная «чувствительность», потому что:

в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;

аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне.

У цифровых светочувствительных матриц значение эквивалентной чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Фотоматрица оцифровывает то изображение, которое формируется объективом. Но, если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт две светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на три подряд расположенных пикселя, то говорить о точном разрешении изображения фотоаппаратом не приходится.

В фотографической оптике существует приблизительное соотношение [7]: если разрешающую способность фотоприемника выразить в линиях на миллиметр (или же в пикселях на дюйм), обозначим её как M, и так же выразить разрешающую способность объектива (в его фокальной плоскости), обозначим её как N, то результирующее разрешение системы объектив + фотоприемник, обозначим его как K, можно найти по формуле:

Это соотношение максимально при N = M, когда разрешение равно N/2, поэтому желательно, чтобы разрешающая способность объектива соответствовала разрешающей способности фотоприемника.

У современных цифровых фотоматриц разрешающая способность определяется размером пикселя, который варьируется у разных фотоматриц в пределах от 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у большинства современных фотоматриц он равен 0,006 мм. Поскольку две точки будут различаться если между ними находится третья (незасвеченная) точка, то разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то есть:

где p — размер пикселя.

У цифровых фотоматриц разрешающая способность составляет от линий на миллиметр до 70 линий на миллиметр.

отдельных пикселей матрицы, которые в современных фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум. Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов фотоматрицы.

На данный момент в СТЗ используются два вида светочувствительных матриц [21]:

КМОП-матрицы — (сокр. от «комплиментарный металл-оксидный полупроводник») или CMOS-матрицы (сокр. от англ. «Complementray metaloxide semiconductor») - светочувствительные матрицы, выполняемые на основе КМОП-технологии.

изолированным затвором с каналами разной проводимости.

ПЗС-матрицы (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCDматрица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью.

К достойнствам КМОП-матриц относят низкое энергопотребление в статическом состоянии. Это позволяет применять такие матрицы в составе энергонезависимых устройств, например, в датчиках движения и системах наблюдения, находящихся большую часть времени в режиме «сна» или «ожидания события».

технологии с остальными, цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части (КМОП-технология, являясь в первую очередь процессорной технологией, подразумевает не только «захват» света, но и процесс преобразования, обработки, очистки сигналов не только собственно-захваченных, но и сторонних компонентов РЭА), что послужило основой для миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду отказа от дополнительных процессорных микросхем.

С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных групп пикселей. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ. windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами, поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра и применить её для отображения на весь экран. Описанная особенность, как будет показано ниже, позволит реализовать алгоритмическую компенсацию межкадрового смещения.

В дополнение к усилителю внутри пикселя, усилительные схемы могут быть размещены в любом месте по цепи прохождения сигнала. Это позволяет создавать усилительные каскады и повышать чувствительность в условиях плохого освещения. Возможность изменения коэффициента усиления для каждого цвета улучшает, в частности, балансировку белого.

Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших размерах матриц.

Среди недостатков светочувствительных матриц выполняемых по КМОП-технологии стоит отметить следующие: фотодиод ячейки занимает существенно меньшую площадь элемента матрицы, по сравнению с ПЗС матрицей с полнокадровым переносом.

Фотодиод ячейки матрицы имеет сравнительно малый размер, величина же получаемого выходного напряжения зависит не только от параметров самого фотодиода, но и от свойств каждого элемента пикселя.

Таким образом, у каждого пикселя матрицы оказывается своя собственная характеристическая кривая, и возникает проблема разброса светочувствительности и коэффициента контраста пикселей матрицы.

Наличие на матрице большого по сравнению с фотодиодом объёма электронных элементов создаёт дополнительный нагрев устройства в процессе считывания и приводит к возрастанию теплового шума.

Ранее, наибольшее распространение для применения получили ПЗСматрицы, в виду таких их достоинств как большая чувствительность, большее отношение сигнал/шум и возможность управления коэффициентом передачи за счет изменения времени накопления зарядов. Однако, как было отмечено выше, а так же как следует из статьи [69, 21] для СТЗ МРК наиболее перспективно применение именно КМОП-матриц.

Как уже было сказано, КМОП-метрицы создаются на основе кристалла кремния, на котором помещается как датчик, так и электроника для преобразования сигналов. В некоторые датчики также добавляется аналогово-цифровой преобразователь, который позволяет снизить потребление энергии для всей камеры. Также КМОП упрощает процесс получения изображения, работая на любой частоте кадров с функцией прогрессивного сканирования. В каждой точке датчика содержится заряд, который преобразуется в напряжение, как только на него попадает свет.

Таким образом, изображение считывается уже с конкретного участка чипа.

В отличие от КМОП, чипы ПЗС требуют очень серьезной электроники. При этом изображение, полученное с их помощью, будет более качественным из-за высокой чувствительности к свету, низкого уровня шумов и высокого коэффициента заполнения пикселей. С каждым новым поколением КМОП матриц разработчикам удается существенно улучшить качество получаемой картинки, сохраняя при этом преимущество технологии — дешевизна и незначительные энергозатраты. В будущем КМОП матрицы должны заменить CCD как раз по причине т.н. предела технологии, когда дальнейшее совершенствование изделий невозможно в виду теоретического ограничения на те, или иные параметры.

Принимая во внимание вышесканное, далее будем исследовать особенности применения для СТЗ МРК именно КМОП-матриц. В идеальном световые потоки от телесных углов с вершиной в центре объектива и с осями, проходящими через центр объектива и соседние с (mn)-м фоточувствительные ячейки не оказывают влияния друг на друга. Поэтому качественные характеристики изображения определяются только световым потоком Ф,,,,. В реальности, при движении МРК возникают как линейные, так и угловые перемещения СТЗ, учитывая это, можно сказать, что применение СТЗ на МРК, в частности на основе цифровых полупроводниковых матриц сопряжено со следующими трудностями [11]: в современных условиях наблюдается тенденция к полному исключения человека из состава СТЗ, когда работа оператора заменяется работой систем распознавания образов и пр., что накладывает серьезные ограничения по качеству видеоизображения, передаваемого в подобные системы от СТЗ.

Можно выделить две основные проблемы, возникающие при применении СТЗ на подвижном основании – возникновение т.н. явления «смаза» или «шевеленки» изображения, возникающие вследствие того, что во время экспозиции (считывания значений яркости из пикселей) световые потоки, предназначенные для смежных с (mn)-й ячеек, попадают в (mn)-й элемент.

Шевелёнка — фотографический дефект, нечёткость изображения (смазанность, зачастую с двумя или несколькими более чёткими фазами), вызванная движением аппарата при экспонировании. Эти же термины часто применяют в отношении схожих искажений, вызванных движением объекта съемки, подавить их можно лишь уменьшением экспозиции или подвижности объекта. Часто термины «шевелёнка» и «сдёргивание кадра»

разграничиваются, и им придаются собственные смысловые оттенки:

«шевелёнка» употребляется применительно к движению самих объектов в кадре, в то время как «сдёргивание» или «стряхивание» — к движению камеры, в данной работе, для приведенных выше явлений будет использован термин «смаз», как возникающий вследствие перемещения СТЗ относительно неподвижной сцены.

Величина «смаза» определяется динамикой перемещения линии визирования в пространстве, которая в свою очередь, определяется динамикой движения СТЗ, установленной на МРК. Определяющими факторами в динамике движения линии визирования в пространстве являются перемещения МРК по углам места, курса и крена.

Вторая существенная проблема – непрограммируемая быстрая смена сцены, и как следствие, недостоверность оценки окружающей МРК сцены системами распознавания, целеуказания и др.

Дело в том, что адекватная оценка параметров визируемых СТЗ объектов (например, дистанция, размеры, наличие и параметры движения) возможна только при известных (программируемых) собственных параметрах движения.

Обстоятельства, вызывающие данную проблему можно разделить на две категории: возникновение межкадрового смещения в видеопотоке, вследствие колебаний СТЗ, когда кадр от кадра неподвижные элементы сцены перемещаются по изображению на величины порядка 5-40% размера фотоматрицы в пикселях. И, собственно, быстрая смена сцены, возникающая при движении МРК по элементам ландшафта, вследствие чего возникают такие угловые отклонения МРК от траектории движения, что визируемые объекта полностью или частично покидают сцену, воспринимаемую СТЗ.

В качестве критерия качества видеопотока с точки зрения потребителя (систем распознавания и др.) применим усредненное по временному интервалу t, определяемому характеристиками потребителя видеопотока, межкадровое смещение foz,y, определяемое в плоскости фотоматрицы ZY (см.

рисунок 1.3). А условием, необходимым для нормальной обработки видеопотока потребителем – непревышение foz,y в течение временного интервала t определенного порога fo z,y max.

проиллюстрировано на рисунке 1.4. Ось абсцисс представляет формирование видеопотока во времени, ось ординат – перемещение фотоматрицы, вызанное колебанием СТЗ МРК во время движения. Для простоты рассмотрен случай с колебаниями относительно вертикально оси Z.

Штриховой линией обозначена функция смещения фотоматрицы относительно вертикальной оси Z, точки fbi и fei – моменты начала экспонирования и конца экспонирования текущего кадра. Известно [69], что в камерах, устанавливаемых на СТЗ экспонирование отдельного кадра занимает меньше времени, чем период кадровой развертки (величина, обратная частоте смены кадров). Так, наиболее часто употребимые частоты смены кадров лежат в диапазоне от 15 до 40 fps (fps – англ. “Frames per second”, дословно «кадров в секунду»). При этом, в соответствие с теоремой Котельникова, известной так же как теорема Найквиста, колебания, с частотами меньше половины частоты дискретизации (частоты смены кадров) не будут влиять на межкадровое смещение. Таким образом, можно обозначить диапазон частот колебаний, которые должны быть скомпенсированы системой стабилизации изображения, в этот диапазон будут входить частоты от 0 до 20 Гц. При этом реальное межкадровое смещение foz может быть определено как разница средних значений перемещения за периоды формирования i-ого и i-1-ого кадров.

Рисунок 1.4 Формирование «смаза» изображения и межкадрового смещения С точки зрения отдельных кадров, возможность адекватного отображения сцены, наблюдаемой МРК, определятся рядом показателей:

угловыми размерами изображения объектов, расположенных на сцене, и/или их деталей, уровнем яркости, контрастом сигнала Ф,,,,, наличием шумов, посторонних засветок и т.п. Качественные характеристики наблюдаемого изображения формируются как из характеристик излучения/отражения элементов сцены, так и из условий преобразования сигнала всей совокупностью технических средств, формирующих модель изображения. Из множества параметров, характеризующих качество изображения, наибольшее значение имеют четыре: диапазон яркостей, резкость, контраст и разрешающая способность.

Диапазон яркостей определяется по отношению интенсивностей поля зрения СТЗ. Эта величина главным образом определяется характером изображения сцены. Так как движение МРК не влияет на диапазон яркостей, примем, что диапазон яркостей соответствует диапазону настройки АЦП.

Резкость изображения является условной величиной и, как правило, определяется визуально, в зонах перехода от темного поля изображения к светлому. На резкость конечного изображения влияет, помимо движения МРК множество других факторов. Кроме того, резкость является производным параметром от разрешающей способности, поэтому данный показатель качества изображения в работе также не будет рассматриваться.

Коэффициент контрастности определяется по величине глубины модуляции эталонного изображения. Как правило, контраст определяется в виде частотно-контрастной характеристики при пространственной частоте расположения штрихов в наблюдаемом изображении.

функцией контрастности. Контраст, и связанная с контрастом разрешающая способности, как способность СТЗ раздельно передавать мелкие однотипные детали является предметом исследования в данной работе. На разрешающую способность СТЗ МРК оказывают влияние следующие факторы:

разрешающая способность эталонного изображения, наблюдаемого СТЗ;

длина волны светового потока Ф,,,,, в котором наблюдается сцена;

наличие боковых засветок входного зрачка объектива;

наличие диспергента (пыли, микрочастиц влаги, дымы и т.п.) в среде распространения светового потока;

параметры оптической системы СТЗ;

параметры фотоматрицы;

параметры движения фотоматрицы при экспонировании кадра.

Разрешающая способность определяется порогом, при котором контраст (1.30) будет восприниматься визуально. Отношение контрастов на входе и на выходе СТЗ будет в дальнейшем использоваться для оценки качества воспринимаемого изображения применительно к отдельным кадрам видеопотока.

1.3 Кинематическая схема МРК Для определения условий работы СТЗ МРК в плане возмущающих воздействий среды, в соответствие с задачей 1 диссертационного исследования, необходимо составление кинематической схемы носителя.

базирования характерны различные условия функционирования, природа и степень возмущающего воздействия, далее будем рассматривать в качестве образца МРК наземного базирования, как работающий в наиболее неблагоприятных условиях, с точки зрения характера и силы возмущающего воздействия.

установленной на нем системой ТЗ [12, 15].

Рассмотрим МРК как объемное тело, связанное с системой координат x’Oy’z’ [22]:

В земной системе координат xOyz (рисунок 1.5):

ось Ox расположена в горизонтальной плоскости и совпадает с усредненным направлением движения МРК;

ось Oz перпендикулярна горизонтальной плоскости и образует местную вертикаль;

ось Oy расположена в горизонтальной плоскости перпендикулярно осям Ox и Oz b направлена таким образом, что образует с осями Ox и Oz правую систему координат.

Местоположение начальной точки О, земной системы координат несущественно, так как в дальнейшем рассматриваются линейные и угловые перемещения МРК относительно ее текущего положения, поэтому в первом приближении можно считать, что точка О совпадает с текущим положением центра масс МРК.

Рисунок 1.5 Кинематическая схема МРК с СТЗ Начало отсчета системы x’Oy’z’ связано с центром масс МРК, а оси системы координат расположены следующим образом:

плоскость x’Oz’ является продольной вертикальной плоскостью симметрии МРК;

плоскость x’Oy’ является продольной горизонтальной плоскостью симметрии МРК, установленного в состоянии покоя на горизонтальной земной поверхности;

продольной горизонтальной плоскостей симметрии МРК;

ось Oz’ ортогональна продольной горизонтальной плоскости симметрии МРК и направлена вверх;

ось Oy’ ортогональна продольной вертикальной плоскости симметрии и образует с осями Ox’ и Oz’ правую систему координат.

Если некоторая точка имеет в системе xOyz координаты (x, y, z ) то в системе x’Oy’z’ ее координаты (x’, y’, z’) определяются по зависимости [12] где А – матрица преобразований, имеющая вид направляющие косинусы оси Oz в системе координат x’Oy’z’.

независимыми равенствами:

Кроме системы направляющих косинусов ориентация объекта в пространстве может быть описана естественной системой углов (рисунок 1.6):

Рисунок 1.6 Пересчет направляющих косинусов в углы крена, тангажа и горизонтальной плоскостью xOy и осью Ox’;

– угол курса (рыскания), определяемый как угол между вертикальной плоскостью xOz и проекцией оси Ox’ на плоскость xOy;

– угол крена, определяемый как угол поворота объекта относительно оси Ox до поворота на углы места и курса.

Для определения третьего соотношения, дополняющего систему уравнений, рассмотрим плоскость y’Oz’, в которой осуществляется поворот векторов Oy’ и Oz’, и плоскость x’Ob’, в которой расположена прямая Ob’, перпендикулярная оси Ox’. Восстановим из точки z’ перпендикуляр, лежащий в плоскости y’Oz’ до пересечения с прямой Ob’. Очевидно, что отрезок z’b’ параллелен оси Oy’, так как лежит с осью Oy’ в одной плоскости и оба перпендикулярны оси Oz’. Рассматриваемый отрезок имеет в системе координат xOyz те же направляющие, что и ось Oy’. Из треугольника z’Ob’ следует, что перпендикуляр до пересечения с осью Oz. Из треугольника Obb’ следует, что направляющих косинусов в углы крена, тангажа и рыскания:

В общем случае МРК имеет в шесть пространственных степеней свободы [23], поэтому можно рассматривать следующие перемещения:

линейные центра масс – x, направленное вдоль оси Ox; y, направленное вдоль оси Oy; z, направленное вдоль оси Oz;

угловые, относительно центра масс с угловыми скоростями - x, относительно оси Ox; y, относительно оси Oy; z, относительно оси Oz.

Между скоростями изменения углов тангажа, крена и рыскания и угловыми скоростями в земной системе координат существуют следующие зависимости:

На МРК действуют следующие силы:

сила земного притяжения, приложенная к центру масс платформы и равная Mg, где g – ускорение свободного падения, М – масса платформы МРК с установленной на ней СТЗ;

реакции колес правого {Rr1, …, R rn} и левого {Rl1, …, R ln} бортов, создающих как движущие силы, так и силы сопротивления движению.

mr1g, …, mrng, ml1g, …, mlng – силы земного притяжения, действующие на колес правого и левого бортов и 1-ого … n-ого поперечных рядов соответственно, приложенные к центрам колес, имеющих массы mr1,…, mrn, ml1, …, mln.

cила сопротивления движению со стороны атмосферы.

МРК состоит из ряда механических узлов:

Платформа P c установленными на ней жестко силовой установкой (на рисунке 1.5 не показана) и СТЗ V;

колеса правого wr1, …, wrn и левого wr1, …, wrn бортов, каждое из которых можно рассматривать как вязко-упругий демпфер.

СТЗ V располагается в вертикальной плоскости симметрии x’Oz’ и имеет три степени свободы относительно платформы P: по углу места v, курсовому углу v и углу крена v.

На рисунке 1.5 обозначены следующие геометрические размеры МРК:

Ly’, - Ly’ – расстояние от центра масс. Принимается, что центр масс расположен в плоскости вертикальной симметрии до левого и правого рядов колес соответственно;

Lx’1, …, Lx’n – расстояние от центра масс до первого, второго, n-ого поперечного рядов колес;

Lz’ – расстояние от центра масс до земной поверхности, в случае, если МРК расположен неподвижно на ровном плоском основании;

Lx’V, Lz’V – расстояние от центра масс до места расположения входного зрачка камеры СТЗ по осям Ox’ и Oz’ соответственно.

Перечисленные основные конструктивные узлы связываются следующей векторной системой сил и моментов [24]:

Где М – масса платформы МРК с силовой установкой и СТЗ;

,, - вектор ускорения центра масс платформы; x, y, z – перемещение воздействующих на платформу со стороны i-й правой и левой опоры, соответственно 1 ; – вектор силы сопротивления набегающего воздушного потока, принимается, что он приложен к центру масс МРК; и - линейные ускорения i-ого колеса правого и левого бортов соответственно; и - линейные ускорения i-ого колеса правого и левого колес; и – векторы сил реакции дороги, воздействующие на i-е правое и левое колеса, соответственно; – производная от момента количества движения платформы по времени; – вектор угловой скорости платформы относительно центра масс; […] – векторное произведение; и - момент производные от моментов количества движения колес; – i-е векторы моментов, приложенных к правому и левому колесам со стороны платформы;

, - i-е векторы моментов, приложенных к правому и левому колесам скоростей правого и левого колес i-ого ряда.

1. На основании анализа систем технического зрения, расположенных на подвижном основании дана их классификация, указаны основные преимущества и недостатки различных методов стабилизации, намечены основные пути совершенствования систем стабилизации, в частности поиск альтернативы гироскопическим приборам;

2. Приведена общая схема формирования изображения в СТЗ и показано, что при использовании фотоэлектронного преобразователя возможно явление «смаза» изображения, а так же явление межкадрового смещения и значительных угловых смещений изображения при движении МРК с СТЗ.

3. Проведен анализ воздействия дороги на транспортное средство и показано, что воздействие сводится к двум факторам: рельефу местности, влияющему на нагрузки при движении транспортного средства, и микронеровностям, влияющим на колебания платформы с установленной СТЗ, линейное по вертикали и угловые по углам места и крена, относительно некоторого среднего положения МРК.

4. Показано, что воздействие микронеровностей дороги является случайным, а характер воздействия определяется корреляционной функцией случайного сигнала, причем масштаб корреляционной функции по оси абцисс зависит от скорости движения МРК по дороге.

5. Проведен сравнительный анализ различных типов фотоматриц, предложено использование фотоматриц на основе КМОП-технологии, как наиболее полно удовлетворяющих условиям эксплуатации в СТЗ МРК.

6. Проведен анализ характеристик, определяющих качество изображения, и показано что определяющей характеристикой при восприятии сцены в движении является разрешающая способность СТЗ.

2 МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ СТЗ МРК

описывающих МРК при его движении, даже в упрощенном варианте является весьма сложной. Однако, для проектирования системы стабилизации изображения важно выявить влияние параметров движения МРК на качественные характеристики изображения, формируемых СТЗ.

Поэтому, при анализе может быть применен принцип раздельных движений [12], согласно которому колебания платформы разделятся на три следующих движения:

поступательное движение центра масс по координате z’;

вращательное движение по углу места ;

вращательное движение по углу крена.

Естественно, результаты, которые будут получены таким образом, дадут только верхние оценки параметров движения, в частности, верхние оценки угловых и линейных скоростей колебаний, а также их максимальные амплитуды. Это происходит вследствие того, что в данном случае, считается, что вся энергия внешних воздействий расходуется на энергию движения только по рассматриваемой координате, в то время, как она распределяется между всеми степенями свободы. Тем не менее, подобная оценка позволяет сформировать требования к системе стабилизации линии визирования исходя из заданных характеристик формируемого изображения и условий эксплуатации МРК.

Для упрощения системы уравнений, описывающей МКР, приняты следующие ограничения [25, 26, 27]:

рассматривается только ее движение относительно движителей и считается, что тангенциальные составляющие воздействия дороги компенсируется усилиями, создаваемыми двигательной установкой;

уравновешенными силами сухого трения движителей о дорогу;

- во время движения МРК колеса не отрываются от грунта; каждое колесо находится в индивидуальных дорожных условиях; все диссипативные амортизаторов, шин и платформы;

- все рессоры и амортизаторы имеют линейные характеристики, а значения жесткостей рессор с…, приведенные к осям колес, постоянны;

- сопротивление амортизаторов сводится к вязкому трению с постоянным коэффициентом …;

соответственно равны сш…;

- внутреннее трение в шинах сводится к вязкому трению с коэффициентом ш;

- все установленные амортизаторы двусторонние, то есть имеют одинаковые коэффициенты жесткости и сопротивления, как при прямом ходе платформы относительно колес, так и при ходе отбоя;

- коэффициент сопротивления постоянный и равен ;

соответствующими осями колес левого борта, а так же жесткость рессор, шин и сопротивление амортизаторов колес левого и правого бортов одинаковы;

- в исходном невозмущенном состоянии МРК связанная система координат совпадает с земной;

- углы крена и места являются малыми, причем, вращение по углу крена производится продольной оси Ox’, а вращение по углу места производится относительно поперечной оси Oy’;

- реакции опор направлены вертикально вверх;

- центр масс лежит в плоскости платформы.

2.1 Движение МРК по неровностям 2.1.1Характеристики неровностей дорожного покрытия Движение МРК по неровностям дорожного покрытия вызывает вибрации подрессоренных и неподресооренных масс.

Неровные поверхности различают по форме, размерам и характеру чередования неровностей в профиле, т.е. в сечении рельефа в направлении движения МРК. Форма неровностей может быть любой: синусоидальной, параболической, прямоугольной и пр. Размеры неровностей определяются их длиной и высотой.

Как показано в [28], в зависимости от длины неровности условно можно разделить на импульсные, выбоины, ухабы и уклоны [28]. Уклонами называют плавные неровности, каждая длиной более 25 м, которые характеризуют макропрофиль поверхности. Неровность может располагаться также поперек или под острым углом к направлению движения. Если размер такой неровности превышает размер МРК, то ее также называют уклоном или косогором. Неровности длиной до 25 м составляют микропрофиль, причем неровности высотой до 1 см при длине, не превышающей длину отпечатка шины или, как правило, не более 0.3 м, обычно называют шероховатостями.

Различают следующие закономерности чередования неровностей по длине пути движения машины[28].

- единичные неровности, удаленные одна от другой на сравнительно большие расстояния. К единичным неровностям относятся ямы, рвов, эскарпов и т. д.;

- периодически чередующиеся неровности одинаковых размеров и может превратиться в дорогу с волнистым профилем, описываемым последовательном воздействии на нее с постоянной частотой.

- случайный микропрофиль, при котором имеется незакономерное профиля.

Как будет показано ниже, движение МРК с СТЗ по шероховатостям видеопотока. Преодоление препятствий, составляющих микропрофиль дорожного покрытия, вызывает межкадровое смещение, а так же, в зависимости от характера отклика подвески МРК и СТЗ может вызывать плавный увод сцены, потерю визируемых объектов из поля зрения.

Рельеф дорожного покрытия может быть описан функцией высот в земной системе координат [28].

При движении МРК, как правило, рельеф меняется достаточно медленно, поэтому зависимость 2.1 можно в первом приближении считать касательной к рельефу в начальной точке (x,y) = (0,0) расположения центра масс:

горизонтальную плоскость в параметрической форме то вертикальная плоскость, в которой лежит вектор направления движения, определяется зависимостью где и - координаты точки, в которой определяется направление движения.

Совместное решение системы (2.2) и (2.5) дает приближенное пространственное положение вектора линейной скорости МРК по дороге.

За время dt приращение высоты, определяемое по зависимости (2.2) будет равно За то же самое время МРК по траектории (2.4) продвинется на расстояние Деля (2.6) на (2.7), получим угол подъема, необходимый для определения продольной скатывающей силы, действующей на МРК:

Если отсутствует проскальзывание колес, то вектор продольной скатывающей силы, которая является одной из составляющих сил реакции земной поверхности на колесный движитель, лежит в вертикальной плоскости симметрии МНКР. Если горизонтальной дороге без подъемов и спусков. Если движется под уклон и скатывающая сила, равная суммируется с движущей силой движителей. Если скатывающая сила вычитается из движущей силы движителей (рисунок 2.1).

Риунок 2.1 Определение скатывающей силы при движении по дороге Наряду с макропараметрами дороги на МРК действуют также и микрорельеф, который представляет собой случайные отклонения рельефа от величины. В общем случае воздействие дороги можно представить в виде где - случайная функция двух аргументов, представляющая собой отклонение высоты рельефа от среднего значения.

Если определить путь, пройденный МРК за время t через выражение Величина функции представляет собой превышение точек дороги над некоторым средним уровнем. Вид функции существенно эксплуатируется в помещении, в условиях цеха предприятия и имеет достаточно большие колеса, диаметр которых много больше максимального радиуса кривизны микронеровностей, то влиянием можно пренебречь.

Во всех остальных случаях микронеровности однозначно влияют на колебания платформы с установленной на ней СТЗ.

Принимая во внимание тот факт, что принятие решений СТЗ на основе получаемых изображений протекает во времени, существует необходимость приведения функции, описывающей профиль дороги, к случайной функции времени. Примем, что на некотором участке продольная и окончательно, случайная функция воздействия дороги преобразуется в функцию времени t.

Будем считать, что функция при движении МРК с постоянной скоростью является эргодической случайной функцией с нулевым математическим средним, а распределение микронеровностей по своему характеру близко подходят к кривым нормального закона распределения где D – дисперсия микронеровностей, выраженная в м2.

Кроме плотности распределения значений микронеровностей в каждом сечении профиля дороги, случайная функция характеризуется корреляционной функцией K, для которой существует зависимость значение случайной функции в момент времени ; T - отрезок времени, на котором был проведен анализ случайной функции микронеровностей. Вид типичной корреляционной функции микронеровностей приведен на рисунке 2.1 [28].

Высота выступов и глубина впадин неровностей дорожного покрытия изменяет масштаб корреляционной функции по оси ординат. При делении корреляционной функции на величину дисперсии из (2.13) получится нормированная корреляционная функция K 1.

Убывание корреляционной функции говорит о том, что при малых величинах существует хорошая корреляция между значениями микронеровностей дороги, которая ухудшается при возрастании. В точке =Th пересечения функции оси абсцисс, корреляция минимальна. В пределе аргумента значения функции становятся не зависимыми одно от другого.

Отрезок на оси абсцисс от начала координат до точки =Th пересечения этой оси с кривой корреляционной функции представляет собой время корреляционной связи значений случайной функции. Очевидно, что время корреляционной связи для микронеровностей дороги различного характера различно. Дорога, включающая мелкие и короткие поперечные борозды, имеет меньшее время корреляционной связи, чем дорога с крупными неровностями большой длины. Таким образом, при постоянной скорости движения время корреляционной связи зависит от усредненной длины неровности.

Кроме того, в данном случае масштаб корреляционной функции по оси зависит от скорости движения МРК. Так, чем ниже микронеровности и скорость движения, тем больше масштаб по оси больше. С увеличением скорости и приближении статистических характеристик функции микронеровностей к статистическим характеристикам белого шума, корреляционная функция сужается.

Рассмотрим МРК, движущийся по дороге с микронеровностями (рисунок 2.3) Рисунок 2.3 Движение МРК по дороге с микронеровностями На рисунке 2.3 штрихпунктирной линией показан горизонтальный профиль дорожного покрытия, сплошной жирной линией – горизонтальный профиль дорожного покрытия с микронеровностями, штриховой и тонкой сплошной линиями два последовательных положения МРК при движении по микронеровностей приводит к изменению dz вертикальной координаты и величины угла места МРК. Кроме того, при продольном движении передние и задние колеса наезжают на одни и те же препятствия не одновременно. Примем, что в некоторой точке дороги s0 имеется препятствие и расстояние между i-м и (i+1)-м колесами равно Lx’i-Lx’(i+1). Тогда время задержки прохождения препятствия (i+1)-м колесом относительно i-ого колеса будет определятся как а время задержки прохождения препятствия i-м колесом, по сравнению с первым по формуле:

Колеса правого и левого рядов при движении МРК движутся по разным траекториям и наезжают на разные микронеровности (рисунок 2.4).

На рисунке 2.4 штрихпунктирной линией показана горизонтальная поверхность дороги, сплошной жирной линией – микронеровности для колес правого r и левого l бортов, левое и правое изображения МРК - два последовательных положения МРК при движении по дороге.

Как видно из рисунка 2.4, на МРК в поперечной плоскости оказывается непрерывно изменяющееся случайным образом по величине и микронеровностям постоянно изменяется угол крена.

Далее, определим величину воздействия, при известных параметрах воздействия по каждому борту, для чего вычтем из сигнала (2.10) для левого борта этот же сигнал для правого борта. С учетом предположения о том, что МРК движется по горизонтальной поверхности, разностный сигнал, воздействующий на МРК, определяется по зависимости координаты колес правого борта.

Выполнив такие же подстановки в (2.17), что и при анализе продольных колебаний, выражение (2.17) может быть приведено к виду левое и правое колеса, соответственно.

математическим средним:

измерением разностного сигнала. Как правило, поперечный профиль дорожного покрытия имеет малую дисперсию и малое время корреляционной связи. Это говорит о том, что поперечные микронеровности являются короткими и мелкими даже при значительных продольных.

Стоить отметить, что полученные зависимости характерны для дорог с твердым покрытием. Однако же МРК может и чаще всего эксплуатируется на сыпучих и глинистых грунтах. В этом случае модели воздействия на транспортное средство со стороны дороги существенно усложняются.

2.1.2 Виды колебаний МРК Как показано в [28] при проектировании подвесок транспортных средств выделяются вибрации с частотами менее 20-22 Гц, такие вибрации принято называть колебаниями. Это обусловлено тем, что вибрации с частотами выше указанных воспринимаются человеком как звук. В СТЗ, в которых используются видеосенсоры с числом кадров в секунду от 15 до 40, большие значения используются крайне редко [11]. Как было показано в главе (1.2), при анализе условий работы СТЗ МРК, колебания данного диапазона частот имеют наиболее негативное влияние на качество видеоданных. Поэтому, в дальнейшем исследовании будем ориентироваться на колебания МРК, частоты которых водят именно в этот диапазон.

Для многоопорного МРК могут быть построены различные математические модели, с разной степенью приближения описывающие объект, и даже в простейшем случае такие модели оказываются достаточно сложными [28]. Однако, в данной работе стоит лишь задача определения максимальных угловых и линейных скоростей движения линии визирования.

Поэтому, можно воспользоваться принципом раздельного движения для описания МРК, считая, что вся энергия воздействия дороги попеременно расходуется на приведение в движение платформы по вертикальной и двум угловым координатам.

Как сообщаяется в [12, 28] при движении колесной машины по дорожному профилю с микронеровностями и шероховатостями имеют место следующие виды колебаний: вертикальные, вдоль оси Z, продольно-угловые, и поперечно-угловые.

2.2.2.1 Вертикальные колебания МРК В данном простейшем случае объект рассматривается как полностью симметричное тело. Воздействие дороги является случайным, но одинаковым для всех опор, причем по мере движения МРК, воздействие препятствия на опоры каждого борта является попеременным с временной задержкой, определяемой скоростью движения МРК и расстоянием между опорами.

Таким образом, объект может рассматриваться как материальная точка, установленная на 2n вязко - упругих опор, перемещающаяся вертикально вдоль оси Oz земной координаты (см. рисунок 2.1).

При наличии в конструкции МРК амортизаторов и демпферов механическая система рассматривается как имеющая 2n+1 степеней свободы.

При наличии только амортизаторов или только демпферов система имеет одну степень свободы. Дифференциальные уравнения, описывающие подобную механику представленны в работе [12] и имеют вид коэффициенты вязкого трения в демпферах правой и левой шинах i-ого ряда;

, - коэффициенты вязкого трения в правой и левой шинах i-ого ряда;

координаты центров правого и левого колес i-ого ряда.

Рисунок 2.5 Одномерная модель собственных движений объекта В работе [12], показано, что уравнение движения СТЗ по координате z может быть представлено в виде:

одинаковый характеристический полином и отличаются друг от друга только в случае, если у МРК имеется асимметрия (неодинаковые значения параметров колес и рессор по правому и левому бортам).

В соответствии с (2.22) может быть построена структурная схема, поясняющая возникновение вертикальных линейных колебаний платформы МРК с установленной СТЗ (рисунок 2.6).

Рисунок 2.6 Структурная схема формирования поперечных линейных Из структурной схемы видно, как воздействие дороги проходит последовательно с соответствующими временными задержками, на платформу МРК, создавая эффект раскачивания.

2.2.2.2 Продольно-угловые колебания платформы Кинематическая схема формирования продольных угловых колебаний платформы приведена на рисунке 2.7. В этом случае центр масс считается неподвижным, и все движение платформы МРК сводится к вращению по углу места, относительно центра масс. При наличии амортизации и демпфирования система имеет 2n+1 степеней свободы, одна из которых приходится на саму платформу, а 2n – на линейные перемещения центров масс колес правого и левого бортов.

Рисунок 2.7 Угловые колебания платформы МРК в продольном направлении В работах [28, 12] продольные угловые колебания описаны следующей системой дифференциальных уравнений:

платформы МРК.

В работе [12], показано, что уравнение движения СТЗ по координате может быть представлено в виде:

передаточных функций в (2.22), поскольку параметры линейных колебаний центра масс платформы и продольных угловых колебаний платформы относительно ее центра масс имеют различные значения.

Структурная схема формирования продольных угловых колебаний приведена на рисунке 2. Рисунок 2.8 Структурная схема формирования продольных угловых 2.2.2.3 Поперечно-угловые колебания платформы неодинаковом воздействии на колеса правого и левого бортов, т.е. в случае,, и имеется перепад микронеровностей. Такая ситуация когда проиллюстрирована на рисунке 2. В работах [28, 12] приведена следующая система дифференциальных уравнений для описания поперечно-угловых колебаний платформы:

где - коэффициент момента вязкого трения при вращении платформы МРК. В работе [12], показано, что уравнение движения СТЗ по координате может быть представлено в виде:

Структурная схема формирования поперечных угловых колебаний приведена на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 Структурная схема формирования поперечных угловых Как справедливо показано в [12], линейное вертикальное и каждое из угловых продольных колебаний могут осуществляться с разными резонансными частотами.

1. Рассмотрены характеристики дорожного покрытия. Сформирована математическая модель микропрофиля дороги. Рассмотрено влияние микропрофиля на движение МРК.

2. Построена математическая модель собственных колебаний многоопорного МРК при воздействии микрорельефа дороги.

3. Получены передаточные функции для определения частотных характеристик линейных колебаний и колебаний по углу места.

3. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ МРК НА ХАРАКТЕРИСТИКИ СТЗ

По результатам предыдущей главы можно судить о том, что конструктивные особенности МРК, характер рельефа и микронеровности влияют на пространственные колебания платформы с установленной СТЗ.

Как правило, в качестве фоточувствительных элементов СТЗ используются приборы с накоплением заряда, при этом, во время накопления заряда должна быть обеспечена неподвижность фотоматрицы относительно сцены [70, 11, 6].

Как уже было сказано, при несоблюдении этого условия возникает т.н. «смаз» изображения. Помимо «смаза», в промежутках между экспонированием соседних кадров могут возникать межкадровые смещения, при наличии ускорений, действующих в плоскости фотоматрицы, а так же плавный увод визируемых объектов из поля зрения в следствие преодоления МРК крупных препятствий (с высотами порядка диаметра колес МРК), вызывающих значительные угловые смещения линии визирования.

В связи с этим, основной задачей данной главы будет установление связи между параметрами движения МРК и характером вышеописанных негативных явлений, что в свою очередь позволит сформулировать требования для проектирования системы стабилизации СТЗ.

При разработке математической модели СТЗ МРК примем, что:

невозмущенном состоянии система координат x’Oy’z’ совпадает с земной системой координат xOyz;

углы v и v, определяющие положение линии визирования в пространстве, равны нулю и СТЗ ориентирована вдоль координаты x’;

наблюдаемая сцена представляет собой некоторый эталонный образ, световой поток от которого, распространяемый в направлении входного зрачка объектива СТЗ разделен на две части – одна из них соответствует максимуму интенсивности, воспринимаемой СТЗ, другая – минимуму интенсивности, с четкой границей между частями;

ориентация границы эталонного образа соответствует изучаемой координате изображения (при анализе пространственных частот y граница вертикальна, а при анализе пространственных частот z – горизонтальна);

поверхность, по которой распределены регистрирующие элементы, является плоской;

плоскость регистрирующих элементов является ортогональной оси Ox’ связанной системы координат;

фотоматрица расположена в фокальной плоскости объектива, обеспечивая наилучшую технически достижимую резкость изобажения;

СТЗ можно рассматривать как ряд оптических фильтров, влияющих на качество выходного изображения [29, 7], функциональная схема фильтрации исходного изображения в СТЗ МРК представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 Функциональная схема фильтрации изображения в СТЗ МРК На схеме изображены:

источник света, параметры светового потока Ф(x,y,z) которого влияют на модуляцию этого светового потока отражающими поверхностями элементов сцены;

сцена, состоящая из элементов с отражающими поверхностями, обеспечивающими первичную модуляцию светового потока Ф(x,y,z);

среда распространения света, изменяющая модуляцию светового потока и создающая поток Ф’(x,y,z), достигающий входного зрачка объектива;

объектив, обеспечивающий формирование изображения в фокальной плоскости, в которой располагается фотоматрица;

механика МРК, создающая помеху в восприятии изображения за счет движения платформы МРК с установленной СТЗ по координатам z0(t), (t) и (t);

фотоматрица (ФПЗС) с фотоэлементами конечных размеров, измеряющих яркость света, B(Y,Z,t) попадающих в апертуру пикселей (ФПЗС фильтрует изображение дважды: как дискретизатор, с конечными параметрами апертуры и как устройство, выполняющее фотоэлектронное преобразование в течение конечного промежутка времени);

усилитель, оказывающий влияние на качество изображения.

В случае с КМОП-матрицами, сама матрица физически интегрирована с усилителем. Здесь и далее позволим себе свободно применять термин ФПЗС для фотоматриц, выполненных по КМОП-технологии, т. к. принцип фотоэлектронного преобразования посредством накопления заряда применим и к ним, с тем лишь отличием от CCD-матриц, что накопленный в элементарных ячейках заряд, сразу преобразуется в напряжение.

3.1 Формирование плоского изображения сцены Схема, поясняющая формирование проекции точки приведена на рисунке 3.2. Точка имеет в земной системе xOyz координаты x, y, z.

Символом на рисунке обозначен темный элемент сцены. Координаты проекции ’ точки на плоскость YO’Z обозначены Y и Н ’. Проекция Рисунок 3.2 Формирование проекции точки при наблюдении сцены При известных углах курса, и места, под которыми наблюдается точка, то координаты её проекции на плоскость фотоматрицы YO’Z при фиксированном расстоянии O’O будут иметь вид:

где f’ – фокусное расстояние объектива.

Углы, под которыми наблюдается точка зависимостям:

Если в системе координат YO’Z провести радиус-вектор из центра O’ Если в результате маневров МРК он повернулся относительно исходной системы координат xOyz таким образом, что направляющие косинусы новой системы x’Oy’z’ определяются матрицей А (см. 1.2), то системы уравнений (1.4).

Маневры МРК и колебания платформы с установленной на ней СТЗ дают изменение изображения, передаваемого объективом О на плоскость YO’Z. Маневры заключаются в изменении координат центра масс О на местоположение точки на фотоматрице в случае колебаний платформы МРК.

координаты точки на плоскость YO’Z на величину Изменение координат проекции точки на плоскость YO’Z,, вызванное поворотом по углу крена, определится по зависимости Конструктивно фотоматрица размещается так, что большая сторона её ориентирована параллельно оси Oy’.

Продифференцировав (3.6) по времени, считая =const, получим где,, - скорости изменения соответствующих координат.

Таким образом, видно, что колебания проекции точки по оси Oy’ зависят только от ориентации точки по этой оси и угла крена. В то время как для оси Oz’ соответствующая величина зависит от большего числа параметров.

3.2 Влияние характеристик СТЗ МРК на качество изображения В работе [12] детально рассмотрена полная пространственночастотная харатеристика СТЗ. Которая складывается из пространственночастотных характеристик среды распространения света, объектива, входного окна фоточувствительной ячейки фотоматрицы и «смаза» изображения, вызванного движением его относительно неподвижного фотоприемника в момент накопления заряда.

Однако, как будет показано ниже, основным фактором, требующим особого внимания является межкадровое смещение, вызванное перемещением фотоматрицы СТЗ МРК во время его движения.

Так, например, отсутствие «смаза» изображения определяется условием отсутствия перемещения фотоматрицы в плоскости YO’Z (см.

соответствующие смещения изображения точки в плоскости YO’Z будут больше некоторого порога zyMax, зависящего от апертуры элементарной ячейки фотоматрицы. Фактически, данное условие определяет максимально изображения, при заданных апертуре пикселя фотоматрицы, и времени, за которое происходит экспонирование отдельного кадра. Как уже говорилось в 1.2, в соответствие с теоремой Котельникова, для обеспечения отсутствия «смаза» изображения достаточно задать такое время экспонирования кадра tк, что перемещения изображения на фотоматрице, вследствие колебаний в плоскости YO’Z, частотами до 1/2 tк удовлетворяли бы условию где - апертура элементарной квадратной ячейки фотоматрицы размером х, kc – коэффициент, определяющий возможность программной нестабильных алгоритмов [8] принимается в диапазоне от 0,5 до 23.

Небольшой «смаз» изображения может быть эффективно устранен простыми алгоритмами на основе, например, свертки изображения лапласианом [8].

Основываясь на расчетах ускорений, действующих на транспортное средство для диапазона частот от 0 до 22,4 Гц в [28 с. 326-331], применение фотоматриц с частотами считывания кадров более 40 fps фактически гарантирует отсутствие «смаза» изображения.

Таким образом, основной проблемой, не поддающейся устранению возникновение межкадрового смещения, а так же плавный увод визируемых объектов из поля зрения СТЗ.

1. Рассмотрено формирование плоского изображения сцены СТЗ и выведены основные закономерности, связывающие перемещение СТЗ в пространстве и перемещение проекции визируемой сцены на фотоматрице;

2. Проведен анализ функциональных элементов СТЗ, в ходе которого было установлено, что влияние на качество изображения оказывают все компоненты, расположенные на пути распространения сигнала.

3. Дана оценка влияния возмущающего действия основания СТЗ на качество изображения: показано, что явление «смаза» изображения может быть устранено выбором оптимальных параметров фотоматрицы СТЗ, в то время как межкадровое смещение не зависит от характеристик СТЗ и может быть устранено только внесением в СТЗ аппаратуры, компенсирующей угловые перемещения подвижного основания СТЗ;

4. Была определена зависимость смещения изображения на фотоматрице от параметров движения МРК.

4. АНАЛИЗ ИСКАЖАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОГО

ОСНОВАНИЯ НА ИЗОБРАЖЕНИЕ, ПРОДУЦИРУЕМОЕ СТЗ

вычислительно и алгоритмически сложной операцией, эффективность которой определяется целым рядом факторов, в большей или меньшей степени вносящих вклад в качество работы СТЗ в целом. К таким факторам относятся и конструкция МРК, условия его эксплуатации, программное обеспечение и пр.

Как известно, любое усложнение изделия, призванное улучшить его потребительские качества часто приводит к его удорожанию, по крайней мере, это хорошо выполняется для штучного и мелкосерийного производства, особенно на этапе создания опытных образцов и проведения НИР. В частности, как сообщается [10], к заметному удорожанию приводит усложнение его системы управления.

В виду вышесказанного, на этапе проектирования необходимо определиться:

с предельными условиями эксплуатации МРК, куда относятся характеристики ландшафта, в котором предполагается эксплуатировать МРК;

с характеристиками существующего шасси, с его кинематической схемой и характеристиками подвески, энерговооруженностью;

с предельной стоимостью конечного изделия.

На основе вышеприведенных факторов может быть сформулирована задача проектирования СТЗ МРК. В качестве критериев данной задачи принимаются эксплуатационные, массогабаритные и экономические характеристики, в качестве ограничений – совокупность зависимостей, описывающих МРК и СТЗ.

4.1 Методика определения условий движения МРК Как было показано в п. 1.3, любой ландшафт, по которому перемещается МРК, характеризуется профилем дорожного покрытия, в общем случае задаваемым функцией высот hz(x,y) и микронеровностями (микропрофилем), задаваемыми как местные превышения рельефа h(x,y) относительно hz(x,y).

4.1.1 Определение воздействий дорожного покрытия в продольном направлении на линейные и угловые колебания СТЗ Как показывают зависимости (1.14) и (2.24), основным фактором воздействия функции высот является угол h, изменение которого влечет за собой изменение скатывающей силы и нагрузки на силовую установку МРК.

Для определения угла h примем, что вдоль движения МРК по поверхности через расстояния проведены измерения рельефа от точки 0=0 до точки N=N. Высота i-ой точки дороги, лежащей на расстоянии Определяется нивелирование рельефа относительно (i-1)-ой точки по рекурсивной зависимости.

где – превышение уровня дороги, измеренного в i-ой точке над уровнем в (i-1)-ой точке.

В результате проведенных замеров формируется статистический ряд статистический ряд прямой вида где a и b – коэффициенты уравнения прямой.

расстояний где a и b – параметры.

Решение задачи минимизации (4.5) дает примеру, метры, то параметр a определяется по зависимости Учитывая малость угла, окончательно будем иметь Случайная функция микронеровностей дороги определяется как Величину будем рассматривать как отклонение от случайной функции от математического среднего, определяемого зависимостью (4.4). Если профиль дороги может иметь подъемы или спуски, то характер микронеровностей дорожного покрытия не зависит от его профиля и на значительных расстояниях не меняется. Таким образом, процесс отклонения микронеровностей от среднего значения можно считать стационарным.

Корреляционная функция такого процесса не зависит от выбора начальной Корреляционная функция по множеству значений определяется как [9,35] где m – дискретный аргумент.

При m=0 зависимость (4.10) представляет собой выражение для определения дисперсии случайной функции (4.9). Количество точек M25 1200, 6000, develogic GmbH EvoLogics Производитель Название передачи Communications ELAC Nautic Digital LinkQuest Inc Производитель Название передачи Teledyne Bentos Для отечественных систем гидроакустической связи характерно разделение на частотные диапазоны, каждому из которых соответствует битовая скорость и предельная дальность связи. Предельные скорости достигаются в полосе частот 20-40 кГц и составляют порядка 19200 бит/с на дальности до 10000 м. [61, 58], что сравнимо с импортными аналогами.

В связи с тем, что подвижных глубоководных средств разведки гидроакустический канал является единственным способом связи с судномносителем, что подтвержадется в [59, 60]. Таким образом, стабилизация изображения для глубоководных средств разведки, использующих видео- и фото- сенсоры наряду с негативным явлением потери части изображения несет в себе и определенные преимущества, связанные с повышением эффективности использования гидроакустического канала связи, более подробно это положение раскрыто в [39].

Более того, при наличии низкоскоростного канала связи также имеет смысл вести передачу максимально информативных изображений, т.е.

например, из передаваемой видеопоследовательности можно исключить повторную передачу статических сцен, и в данном случае на передний план выходит оценка наличия движения в кадре. Описываемый в данной работе алгоритм оценки межкадровых преобразований используется для определения наличия движения в кадре при передаче видеоизображения по гидроакустическому каналу [81, 82].

5.2.1.2 Вычисление межкадрового смещения на основе данных о перемещении фотоматрицы Как было показано ранее, для СТЗ смаз имеет место лишь при линейных колебаниях в продольной плоскости, а межкадровое смещение при угловых и линейных колебаниях в этой плоскости. Таким образом, для реализации аппаратной фиксации перемещения фотоматрицы в момент экспонирования кадра необходима реализация схемы с применением сенсоров линейного перемещения.

Задача состоит в необходимости получения данных о линейном перемещении фотоматрицы вдоль её оси Z за время экспонирования кадра. При этом необходимая минимальная точность должна соответствовать перемещению проекции изображения на 1-3 пикселя.

Здесь основная проблема состоит в зависимости смещения проекции изображения от дистанции до визируемого объекта, что видно из (4.25). И в общем случае задача о нахождении смещения проекции изображения визируемого объекта за время экспонирования кадра на основе только данных о линейном перемещении матрицы за это время не имеет однозначного решения. В то же время, наличие данных о перемещении матрицы может очень сильно повысить точность алгоритма, описанного в 5.2.1.1, в частности при выборе определенного максимума корреляционной функции при неблагоприятных условиях съемки. В данном случае требуется только достоверно определить направление перемещения матрицы во время экспонирования кадра или факт отсутствия перемещения, в последнем случае программная стабилизация для текущего кадра может не использоваться. Как сообщается в [11], при программном определении межкадрового смещения, оно может быть вычислено с достаточной достоверностью в случаях, когда до 20% изображения занимает меняющийся фон, при превышении этого порога резко возрастает количество ложных срабатываний алгоритма стабилизации. Созданный в рамках данной работы алгоритм обеспечивает отсутствие ложных срабатываний, когда до 40% изображение занимает меняющийся фон. Данное утверждение демонстрируется на рисунке 5.6.

Рисунок 5.6 - К определению порога возникновения ложной стабилизации (слева – исходные изображения, справа – стабилизированные, верхняя пара – ложной стабилизации не возникает, нижняя – имеется ложная вследствие попадания в визируемую сцену быстро движущегося объекта (обозначен красной рамкой). На верхней паре изображений стабилизации ещё не происходит, и движущийся объект занимает 48% всего изображения, на нижней паре изображений (следующий кадр в видеопоследовательности) наблюдается ложная стабилизация по горизонтальной оси, относительно которой перемещается объект, занимающий на этом кадре уже 50% всего изображения. Результаты по значительной выборке (более 100 опытов) в широком диапазоне условий позволяют говорить о пороге возникновения ложного срабатывания равном 40%, что в два раза больше, чем сообщается в [11].

график) и по данным об ускорении, действующем в плоскости фотоматрицы отсутствие ускорения. На красном графике представлен сигнал ускорения, действующего по вертикальной оси в плоскости фотоматрицы. Видно, что перемещение фотоматрицы имеет место лишь в промежутке времени от до 20 секунд, в остальное время эксперимента перемещения отсутствуют.

При этом, по данным расчета имеют место значительные межкадровые перемещения.

5.2.1.3 Выбор метода устранения смаза и межкадрового смещения обобщенную схему функционирования блока программной коррекции изображения.

В ходе работ по реализации алгоритма устранения смаза и межкадрового смещения было установлено, что входное изображение зашумленность изображения мелкими объектами, неконтрастный фон, плохие условия съемки, тепловой шум матрицы и шум АЦП могут значительно снизить показатели алгоритма. В связи с этим была разработана следующая последовательность действий по подготовки изображений для расчета межкадрового смещения:

- эквализация гистограммы кадра [66, 8], необходимость такой операции обоснована в статье [40];

- преобразование кадра из цветового пространства RGB в оттенки серого в соответствии с зависимостью где – значение яркости пикселя изображения в оттенках серого с красной, зеленой и синей компонент соответственно. Коэффициенты принимаются в соответствие со стандартом BT-709 [4];

- медианная фильтрация для устранения зашумленности изображения [37,38];

- выделение границ на изображении для улучшения корреляционной функции в случае со слабоконтрастными объектами и фоном. По данным производительностью продемонстрировал алгоритм выделения границ на основе оператора Собеля [36, 35, 38, 8, 40];

- бинаризация изображения для устранения лишних мелких деталей и шумов. В качестве алгоритма бинаризации, по результатам экспериментов, был выбран алгоритм Otsu [3,37].

В дальнейшем, приведенную выше последовательность будем для краткости называть процедурой предобработки, или просто предобработкой изображения. На рисунке 5.8 продемонстрировано изменение кадра на каждом этапе предобработки.

Рисунок 5.8 - Этапы предобработки кадра (слева направо) Далее, по мере поступления кадров видеопоследовательности в блок последующий выполняются следующие операции:

- на основании данных о среднем ускорении, действующем в плоскости матрицы во время экспонирования последующего кадра, принимается решение о необходимости стабилизации; фактически, если ускорение по одной из осей за время экспонирования кадра превышает некоторый экспериментально определяемый порог, то делается заключение о том, что необходима стабилизация текущего кадра;

- построение пирамиды изображений в соответствии с (5.21), при этом конечный размер изображения выбирается таким, чтобы его размер по одному из измерений имел величину в районе 30-32 пикселей, такой выбор продиктован минимизацией объема вычислений;

- для меньших изображений из двух пирамид, в соответствии с (5.26) вычисляется корреляционная функция, при этом находятся её первые максимума, в заданном диапазоне. Диапазон выбирается на основе пункта 5.1.1. Так, при разрешении матрицы 356 х 292 пикселей, минимальный размер изображения в пирамиде составит 45 х 37 пикселей, при сжатии в раз. Для определения смещений по оси Y до 12 пикселей и до 30 пикселей по оси Z, искомый диапазон составит [-2;2] по оси Y и [-5;5] пикселей по оси Z.

- далее, анализируются вычисленные смещения на предмет совпадения со смещениями по соответствующим осям, полученным на основе действующего в момент экспонирования кадра ускорении в плоскости матрицы. Для каждой из осей проверяется совпадение направления перемещения фотоматрицы хотя бы двум из трех максимумам корреляционной функции, и если такое совпадение имеет место, то принимается решение о компенсации вычисленного смещения. За искомый берется наибольший из совпадающих максимумов, если совпадения нет, то смещение принимается равным нулю для данной оси.

- рассчитывается корреляционная функция для всех изображений пирамиды, вплоть до исходного изображения, при этом корреляционная функция для каждой пары изображений строится в окрестности максимума корреляционной функции предыдущей пары из пирамиды, размер окрестности выбирается экспериментально, в данной работе он принимается равным 5 пикселям по обеим осям;

максимума корреляционной функции на самых больших изображениях пирамиды;

- стабилизация состоит в выборе части изображения на текущем кадре и перемещении его на величину, противоположную по знаку вычисленным смещениям по обеим осям; При этом, при обработке следующего кадра, в качестве предыдущего выбирается стабилизированный кадр. При работе данного алгоритма часто могут возникнуть ситуации, когда в условиях меняющегося фона и/или интенсивном маневрировании носителя суммарное смещение может превысить размеры самого кадра по одной или обеим осям, что в свою очередь приводит к полному исчезновению изображения, для устранения данного явления, в литературе упоминаются различные методы – траектории движения носителя, учет движущихся относительно фона объектов в контексте т.н. «тяжелых хвостов распределений» шума пикселей [11,38]. Однако, зачастую они оказываются малоприменимы в реальных условиях из-за громоздкости и сложности вычислений, вместо этого предлагается идея введения в функцию смещений насыщения. В данной работе такая идея реализуется при помощи введения рекурсивных пороговых фильтров вида где – смещение для текущего кадра, - смещение предыдущего кадра, и – некоторые экспериментально подбираемые коэффициенты;

В данном алгоритме применен адаптивный фильтр, реализованный на основе двух рекурсивных фильтров, при этом каждый включается по порогу:

где - текущее вычисленное смещение для двух последовательных кадров, максимальной возможной разностью смещений для двух последовательных кадров; значения коэффициентов фильтров в данной работе были подобраны экспериментально и имеют следующие значения:

необходимость во введении некоторого демпфирования, для предотвращения медленного накопления суммарных смещений – обнуления суммарного смещения в случае, когда текущее смещение таково, что не превышает некоторый порог, подбираемый экспериментально. В данной работе значение =3 пикселя для обеих осей. Как видно из (5.29), применяются два рекурсивных фильтра, один – для ограничения максимального суммарного смещения, другой – для ограничения межкадрового смещения двух последовательных кадров. Необходимость подобной процедуры проиллюстрирована на графике 5.9. Для простоты представлены данные только по оси OY, для вертикальной оси OZ ситуация схожая. Так, из графика суммарного смещения без рекурсивной фильтрации (синий график) виден выход изображения за установленные границы в точках n=100 и n=175, в точке n=260 изображение полностью покидает границы кадра, в то же время, на графике суммарного смещения, подвергнутого фильтрации видно, что изображение остается в обозначенных пределах, 261-ый кадр данной последовательности представлен на рисунке 4.14 а) с фильтрацией, б) без фильтрации. На рисунке 5.10 представлен график межкадрового смещения, относящейся к анализируемой последовательности.

Суммарное смещение, пикс Рисунок 5.9 - Суммарное межкадровое смещение по горизонтальной оси (OY), - без рекурсивной фильтрации, - с применением рекурсивного горизонтальной оси для случаев с применение рекурсивной фильтрации и без нее. Очевидно, что наилучшее качество стабилизации смещений имеет место в случае наилучшего совпадения синего и красных графиков. Из рисунка 5. видно, что вычисленные значения смещений сглаживаются лишь в точках превышения заданных порогов, и на качество стабилизации влияют незначительно.

Рисунок 5.10 - Межкадровое смещение по горизонтальной оси (OY), - без рекурсивной фильтрации, - с применением рекурсивного фильтра Рисунок 5.11 - Сравнение работы алгоритма на реальной видеопоследовательности. а) с применением рекурсивной фильтрации б) без Ситуация с уменьшением области обзора, продемонстрированная на рисунке 5.11 б), имеет место при отностильно быстрой смене фона, в данном случае – вследствие маневра по азимуту и одновременным преодолением препятствия в виде уклона, при котором линия горизонта, являющаяся опорным объектом для вычисления корреляционной функции, претерпевает значительные перемещения на изображении, сопоставимые с размерами самого изображения. Ситуация осложняется тем, что в случае как на рисунке 5.11 б) возникновение таких кадров приводит к быстрой деградации выходной видеопоследовательности и дальнейшее функционирование потребителя на таких данных заведомо невозможно. Как упоминалось ранее, маневры по азимуту являются программируемыми, а диапазон стабилизации по вертикальной оси определен, исходя из данных положений были выбраны пороговые значения и.. Так, в данной работе порог принимается горизонтальной и вертикальной осей соответственно.

Как отмечалось в п. 5.2.1.1, при работе СТЗ МРК на сценах с активно меняющимся фоном имеет место проблема ложных срабатываний системы стабилизации, которая на сегодняшний день [11] не имеет достаточно устойчивого и эффективного алгоритмического решения. В связи с этим, особый интерес представляет повышение эффективности вышеприведенного алгоритма, за счет использования информации о линейном перемещении фотоматрицы в моменты экспонирования кадров. При этом, как упоминалось в п. 5.2.1.2, достаточно лишь информации о наличие перемещения и направлении перемещения. Наиболее простым и экономически целесообразным по данным [44] в данном случае является применение интегральных микроэлектромеханических акселерометров.

Подробное описание устройства и принципа работы подобных устройств можно найти в работах [44, 45, 46].

Применительно к данной задаче, когда не требуется высокой точности, а характеристики по энергопотреблению, технологичности, массогабаритным и экономическим показателям, а так же по устойчивости к внешним воздействиям и простоте сопряжения с существующими бортовыми комплексами МРК представляются наиболее важными, наиболее подходящими для использования являются вышеупомянутые интегральные микроэлектромеханические акселерометры. Похожая проблема выбора акселерометра стояла перед авторами [50]. В частности, из представленных на сегодняшний день различных типов интегральных акселерометров [54] были выбраны, и в последствие, по данным авторов [50, 53], показали хорошие результаты, поверхностные микроэлектромеханические акселерометры фирмы Analog Devices [51].



Pages:     || 2 |


Похожие работы:

«АРШИНОВА ОЛЬГА ЮРЬЕВНА ТЕХНОЛОГИЯ И СТАНДАРТИЗАЦИЯ ЛИОФИЛИЗИРОВАННЫХ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ ФОТОДИТАЗИНА 14.04.01 – Технология получения лекарств Диссертация на соискание ученой степени кандидата фармацевтических наук Научный руководитель : доктор фармацевтических наук, профессор Н.А. Оборотова Москва – СОДЕРЖАНИЕ Список...»

«Молочкова Юлия Владимировна ЭКСТРАКОРПОРАЛЬНАЯ ФОТОХИМИОТЕРАПИЯ В КОМПЛЕКСНОМ ЛЕЧЕНИИ КРАСНОГО ПЛОСКОГО ЛИШАЯ 14.01.10 – кожные и венерические болезни Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научные руководители: доктор медицинских наук Сухова Татьяна Евгеньевна доктор медицинских наук,...»

«ШАБАЛОВ Михаил Юрьевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИОННОЭКОНОМИЧЕСКОГО МЕХАНИЗМА РАЦИОНАЛЬНОГО ОБРАЩЕНИЯ С МУНИЦИПАЛЬНЫМИ ТВЕРДЫМИ ОТХОДАМИ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика природопользования) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой...»

«СВЕШНИКОВ Александр Сергеевич ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель : доктор технических наук, Угрюмов Сергей...»

«ШУЛЬГИНОВ Роман Николаевич КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ГИДРОАККУМУЛИРУЮЩИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ РЫНКЕ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами ) Диссертация на соискание ученой...»

«ИЗ ФОНДОВ РОССИЙСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БИБЛИОТЕКИ Марьянчик, Виктория Анатольевна Аксиологическая функция неологизмов медиа­политического дискурса Москва Российская государственная библиотека diss.rsl.ru 2006 Марьянчик, Виктория Анатольевна Аксиологическая функция неологизмов медиа­политического дискурса : [Электронный ресурс] : На материале газетных публикаций начала XXI века : Дис.. канд. филол. наук  : 10.02.01. ­ Архангельск: РГБ, 2006 (Из фондов Российской Государственной Библиотеки)...»

«ЖАРКОВ Александр Александрович ФОРМИРОВАНИЕ МАРКЕТИНГОВЫХ ИНСТРУМЕНТОВ СОЗДАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОЙ ЦЕННОСТИ СУБЪЕКТАМИ РЫНКА ЖИЛОЙ НЕДВИЖИМОСТИ Специальность 08.00.05 – Экономика и управление народным хозяйством (маркетинг) Диссертация на соискание ученой степени...»

«ПАНЕШ Каплан Мугдинович СТРУКТУРНАЯ МОДЕРНИЗАЦИЯ ПТИЦЕПРОДУКТОВОГО ПОДКОМПЛЕКСА АПК РЕГИОНА НА ОСНОВЕ ИНТЕГРАЦИОННЫХ ТРАНСФОРМАЦИЙ (на материалах Республики Адыгея) Специальность 08.00.05 - экономика и управление народным хозяйством: экономика, организация и управление предприятиями, отраслями, комплексами (АПК и сельское хозяйство) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата...»

«АСТАШКОВ Николай Павлович ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ АСИНХРОННЫХ МАШИН НА ОСНОВЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ Специальность 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность) ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени...»

«УДК 539.172.17+539.173.7 Тищенко Владимир Геннадьевич ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОТЕЛЬНЫХ РАСПАДОВ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕР Специальность: 01.04.16 – физика атомного ядра и элементарных частиц Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Ю.Э. Пенионжкевич, доктор физико-математических наук, В.В....»

«Севостьянов Дмитрий Владимирович ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ХИРУРГИЧЕСКОМУ ЛЕЧЕНИЮ БОЛЬНЫХ МАЛЬФОРМАЦИЕЙ КИАРИ I ТИПА 14.01.18 - нейрохирургия Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Научный руководитель : доктор медицинских наук, профессор, Заслуженный врач РФ Сакович В.П. Екатеринбург ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВВЕДЕНИЕ ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ...»

«Белик Глеб Андреевич Метод повышения устойчивости печатных узлов БРЭА космических аппаратов к возникновению ЭСР Специальность 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный...»

«МИТИН Сергей Егорович ДИФФЕРЕНЦИРОВАННЫЙ ПОДХОД К ПРИМЕНЕНИЮ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ ОПЕРАТИВНОМ ЛЕЧЕНИИ ПАХОВЫХ ГРЫЖ Диссертация на соискание ученой степени кандидата медицинских наук Специальность 14.00.27. - хирургия Научный руководитель : доктор медицинских наук профессор А.Е.Борисов Санкт-Петербург 2002 год ОГЛАВЛЕНИЕ Основные сокращения, использованные в...»

«ТАРАСОВА ЛЮДМИЛА СТАНИСЛАВОВНА Бухгалтерский учет импорта лизинговых услуг у российских лизингополучателей Специальность 08.00.12 - Бухгалтерский учет, статистика Диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук Научный руководитель : доктор экономических наук, профессор Ж.Г. Леонтьева...»

«ЮСКОВЕЦ ВАЛЕРИЙ НИКОЛАЕВИЧ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ 5-АЦЕТИЛ-4-ГИДРОКСИ-2Н-1,3-ТИАЗИН-2,6-ДИОНА С N-НУКЛЕОФИЛАМИ, СТРОЕНИЕ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПРОДУКТОВ РЕАКЦИЙ 15.00.02 – фармацевтическая химия, фармакогнозия Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук Научный руководитель : академик РАЕН, доктор химических наук, профессор Ивин Борис Александрович Санкт-Петербург ОГЛАВЛЕНИЕ 1 Введение 2...»

«БЛИНОВ Александр Георгиевич УЧЕНИЕ ОБ УГОЛОВНО-ПРАВОВОЙ ОХРАНЕ ПРАВ И СВОБОД ПАЦИЕНТА 12.00.08 – уголовное право и криминология; уголовно-исполнительное право ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора юридических наук Научный консультант : доктор юридических наук, профессор, заслуженный деятель науки России Разгильдиев...»

«ЩЕДРИНА Наталья Николаевна РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАССИВОВ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД НА МЕСТОРОЖДЕНИЯХ С НЕИЗУЧЕННЫМ ХАРАКТЕРОМ ПРОЦЕССА СДВИЖЕНИЯ Специальность 25.00.20 – Геомеханика, разрушение горных пород, рудничная аэрогазодинамика и горная теплофизика Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических наук, профессор М. А. ИОФИС Москва СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И...»

«Рогожина Оксана Анатольевна ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ КОНСТИТУЦИОНАЛЬНОТИПОЛОГИЧЕСКОЙ НЕДОСТАТОЧНОСТИ У ПОДРОСТКОВ, ВОСПИТЫВАЮЩИХСЯ БЕЗ СЕМЬИ 19.00.01 - общая психология, психология личности, история психологии (психологические наук и) Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель : доктор психологических наук, профессор Волоскова Н.Н. Ставрополь - 2004 Содержание Введение.. Глава 1....»

«РОДИНА НАТАЛИЯ ВЛАДИМИРОВНА УДК: 159.922 – 057.175 36 ИНДИВИДУАЛЬНО-ЛИЧНОСТНЫЕ ОСОБЕННОСТИ МЕНЕДЖЕРОВ СРЕДНЕГО ЗВЕНА В КРИЗИСНЫХ СИТУАЦИЯХ: ПСИХОДИНАМИЧЕСКИЙ ПОДХОД 19.00.01 – Общая психология, история психологии Диссертация на соискание ученой степени кандидата психологических наук Научный руководитель : Белявский Илья Григорьевич доктор психологических наук, профессор Одесса - СОДЕРЖАНИЕ...»

«ДИДЕНКО Вячеслав Евгеньевич ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ТЕОРИИ ПОЛЕЙ ВЫСШИХ СПИНОВ (01.04.02 – теоретическая физика) Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Научный руководитель : д.ф.-м.н. М. А. ВАСИЛЬЕВ Москва - 2010 Оглавление Введение 5 1 Динамика свободных полей в обобщенном AdS пространстве 1.0.1 Обобщенная конформная симметрия...................»






 
2014 www.av.disus.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.