Теория и применение инвариантных ортокорреляционных алгоритмов автозахвата направления по изображению в оптико-электронных следящих системах

Актуальность темы

.

Ортокорреляционные дискриминаторы (ОКД) сдвига изображений используются как измерительные звенья оптико-электронных следящих систем (ОЭСС) для решения широкого круга задач: навигация беспилотных летательных аппаратов, астроориентация, контроль движения потоков, создание робототехнических устройств, обеспечение вхождения в связь по оптическим каналам в космосе и др.

Данная диссертация посвящена повышению эффективности корреляционных алгоритмов, принадлежащих к классу беспоисковых. Она является продолжением работ профессора Д. В. Васильева и его учеников по теории и использованию беспоисковых корреляционных дискриминаторов (КД). Их алгоритмы нашли применение в системах навигации [17, 60], и успешно испытаны в измерителях скорости поездов [7−9].

Главные достоинства беспоисковых алгоритмов в сравнении с многошаговыми процедурами поиска глобальных экстремумов:

1. Радикальное снижение вычислительных затрат за счет отказа от поисковых операций. Отсюда — быстродействие, требуемое для режимов «реального времени».

2. Возможность бесступенчатых измерений сдвигов изображения на непрерывной шкале значений с субпиксельной точностью.

Отслеживаемый в ОЭСС обобщенный сдвиг может быть не только двумерным (<аддитивным), но и многомерным. Подобные системы находят все большее применение в системах ориентирования космических аппаратов (КА) для обеспечения вхождения их в связь. При этом эталон формируется непосредственно в полете аппарата по заложенным в память КА звездным каталогам, а отрабатываемый сдвиг является трехмерным — к двум аддитивным компонентам добавляется креновая. В системах навигации по участкам земной поверхности отрабатываемое рассогласование включает в себя в общем случае шесть компонент — помимо трех вышеназванных к ним относятся масштабная компонента и две ракурсных.

Решение задачи удержания выбранного направления в пространстве состоит из двух последовательных этапов:

1) Автозахват (АЗ) в наблюдаемом ТВ-камерой яркостном поле участка, представленного в ЭИ, центр которого служит точкой прицеливания (ТП). Итогом процесса захвата является точное совмещение заданной в эталоне ТП с центром текущего изображения.

2) Автосопровождение (АС) заданной точки прицеливания по ТИ, обеспечивающее ее удержание в центре рабочего окна путем корреляционного сравнения совокупности окружающих ориентиров в составе ЭИ и ТИ и компенсации изменяющихся многомерных проективных сдвигов между этими изображениями.

Режим автозахвата по внешнему эталону в условиях значительных начальных рассогласований ранее не использовался. Необходимые исследования, проводившиеся лишь в последние годы, еще далеки от завершения. Основным показателем качества ОЭСС в режиме автозахвата служит диапазон допустимых начальных угловых рассогласований с требуемым направлением — зона захвата. В существующих алгоритмах, работающих по описанному принципу, зоны захвата составляют не более 20% от размеров рабочего поля, что ограничивает возможности их применения.

При создании алгоритмов автозахвата важно: 1) реализовать алгоритмы при минимальных вычислительных затратах для использования их в системах «реального времени», 2) минимизировать время вхождения в захват, 3) обеспечить максимальную инвариантность параметров ОКД к смене характеристик изображений, по которым должно осуществляться самонаведение. Полезно, чтобы режимы A3 и АС осуществлялись алгоритмами, сходными по структуре и различающимися только значениями параметров. Это упрощает и ускоряет обработку. В ряде случаев эталон готовится заранее (например, по спутниковым снимкам местности), поэтому ограничение на время подготовки эталона не столь существенно, как ограничение на время, отводимое непосредственно на автозахват.

Таким образом, актуальной является задача расширения зон автозахвата беспоисковых корреляционных ОЭСС до величин не менее размеров рабочего поля зрения системы с возможностью работы алгоритмов в «реальном времени», минимизацией времени вхождения в захват и сохранением инвариантности к смене сюжета.

Состояние исследования корреляционных методов измерения сдвига сигналов. Исследованиями в области беспоисковых корреляционных дискриминаторов сдвига сигналов и изображений уже более четверти века занимаются проф. Д. В. Васильев и его ученики A.B. Русаков (обоснование цифровых алгоритмов стационарных и нестационарных КД), В. П. Сергиенко (основы процессорной обработки в корреляционных головках самонаведения), С. Г. Глотов (синтез быстрых алгоритмов обработки изображений), В. В. Мишин (анализ свойств двумерных корреляционных характеристик дискриминаторов), К. А. Григорьев, В. А. Никонов (изучение перекрестных связей в алгоритмах КД), Е. А. Фирсов (оптимизация базисных вейвлет-функций и автозахват) и др. Альтернативная ветвь корреляционных методов обработки, основанных на применении поисковых процедур, исследована, в частности, в работах Б. А. Алпатова и др. [44, 45] (классический и разностный корреляционные алгоритмы, метод последовательного определения сходства изображений, спектральные методы оценки параметров обобщенного сдвига и т. д.).

Целью настоящей работы является изыскание и разработка алгоритмов, обеспечивающих широкие зоны захвата в беспоисковых корреляционных ОЭСС с сохранением инвариантности к смене сюжета.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1) Теоретическое описание беспоисковых корреляционных алгоритмов на основе математического аппарата ортокорреляции.

2) Развитие и применение обобщенного метода оценки выходного шума ОКД.

3) Разработка способов расширения зон автозахвата в ОЭСС на основе метода скользящей фильтрации входных сигналов.

4) Изыскание путей сокращения вычислительных затрат в реализации алгоритмов нестационарных парциальных ОКД.

5) Поиск приемов повышения инвариантности параметров ОКД и роба-стности ОЭСС к смене сюжетов.

Методы исследований. 1. Математическое и полунатурное моделирование замкнутой оптико-электронной системы слежения за вектором сдвига изображений с использованием статистических экспериментов на реальных и модельных видеосюжетах произвольного состава со случайным выбором направления прицеливания оси ОЭСС.

2. Анализ свойств взаимных корреляционных характеристик двумерных финитных изображений в многомерном пространстве обобщенных проективных сдвигов.

3. Использование математического аппарата теории непрерывных сигналов и линейных цепей с переменными параметрами для синтеза парциальных ОКД с заданными свойствами.

4. Применение в алгоритмах ОКД спектральных преобразований обобщенного типа, в частности, в вейвлет-базисах атомарных функций.

5. Сравнительное изучение частных свойств парциальных ортокорреля-ционных дискриминаторов посредством их математического моделирования по написанной автором серии программ на языке С#.

Научная новизна заключается в следующих результатах работы:

1. Предложен набор показателей качества дискриминатора для режима автозахвата.

2. Разработан до уровня рабочих программ новый алгоритм увеличения зоны захвата ОКД с сохранением его инвариантности к смене сюжета.

3. Предложен ряд практических методов, позволяющих снизить вычислительные затраты в реализации адаптивных алгоритмов НКД.

4. Впервые беспоисковые корреляционные алгоритмы рассмотрены с использованием математического аппарата ортокорреляции.

5. Предложен метод оценки шумовых свойств ОКД.

6. Подтверждена возможность реализации в алгоритмах ОКД контуров межкадровой обработки, позволяющих не менее чем на порядок улучшить точность оценки сдвига. Показано, что организация таких контуров совместно с алгоритмами скользящей фильтрации значительно снижает вычислительные затраты. Это позволяет за малые времена получать сдвиговые оценки точнее, чем в обычных ортокорреляционных алгоритмах.

7. Впервые в алгоритме НКД использовано разложение сигналов по более широкому классу базисных функций — обладающих взаимной ортогональностью, но не требующих симметрии в паре четная-нечетная функция.

Практическое значение работы заключается в том, что в ней подробно рассмотрены и усовершенствованы алгоритмы автозахвата, которым в предшествующих исследованиях уделялось мало внимания. Разработанные алгоритмы оптимизированы по вычислительным затратам и обеспечивают обработку сигналов в режиме «реального времени». Приведена удобная при анализе и синтезе следящих систем процедура оценки выходных шумов измерительного звена, использование которой позволяет обеспечить максимальную точность работы системы.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Асимптотическая дискриминационная характеристика (ДХ) следящей системы, вычисляемая на множестве сюжетов, полностью определяет СКО и спектр выходного шума дискриминатора в окрестности нулевых сдвигов.

2. Существует прямо пропорциональная зависимость СКО шума на выходе дискриминатора от ширины монотонной зоны проектируемой ДХ.

3. Множество беспоисковых корреляционных алгоритмов измерения обобщенного сдвига допускает общее теоретическое описание с использованием математического аппарата ортокорреляции.

4. Использование скользящей фильтрации с эталонным полем, превосходящим рабочий формат окна дискриминатора, позволяет при приемлемых вычислительных затратах.

1) обеспечить зону захвата, полностью перекрывающую рабочий формат,.

2) повысить инвариантность к смене сюжета, снизить влияние краевых эффектов и перекрестных связей,.

3) улучшить динамические свойства следящей системы при больших рассогласованиях,.

4) повысить точность субпиксельной оценки сдвига.

5. Сужение зоны захвата приводит к повышению точности автосопровождения.

Реализация и внедрение результатов работы. Представленные в работе алгоритмы и результаты исследований использованы при решении задач навигации беспилотных летательных аппаратов в рамках НИР «Известность» (ОАО «Импульс») и в комплексе средств межспутниковой оптической связи для системы ГЛОНАСС в рамках ОКР «Смерч-М» (ФГУП НИИПП).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 48-й и 50-й научных конференциях «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (МФТИ, 2005;2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 тезиса докладов, 2 научно-технических отчета и 3 статьи в журнале «Электромагнитные волны и электронные системы», входящем в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Заключение

.

1. Развит математический аппарат ортокорреляции, позволяющий удобно описывать беспоисковые корреляционные алгоритмы оценивания обобщенного сдвига.

2. Найдено теоретическое соотношение, позволяющее на основе асимптотической формы ДХ оценивать уровень шумов на выходе дискриминатора, а также их спектральные свойства. Выявлена прямо пропорциональная зависимость между апертурой дискриминатора и СКО выходного шума.

3. Предложены алгоритмы расширения апертуры дискриминатора на основе скользящей фильтрации, позволяющие увеличить зону захвата ОЭСС в несколько раз по сравнению с предшествующими алгоритмами. Экспериментально показано, что использование представленных алгоритмов позволяет, ценой увеличения времени на подготовку эталона, устранить влияние перекрестных связей и краевых эффектов, значительно повысить инвариантность параметров дискриминатора к смене сюжета, существенно снизить нелинейность дискриминационных характеристик, вероятность срыва слежения и время, отводимое на автозахват. Благодаря использованию беспоисковых принципов корреляционной обработки, предложенные алгоритмы способны обеспечивать субпикельную оценку сдвига между изображениями в режиме «реального времени».

4. Предложены практические приемы снижения вычислительных затрат при подготовке эталона по принципу скользящей фильтрации. Выявлена возможность их применения в ряде ранее известных беспоисковых алгоритмов: например, в алгоритмах стабилизации крутизны и компенсации перекрестных связей методом пробных сдвигов.