СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ ЛИНЕЙЧАТЫХ СТРУКТУР
METHOD AND DEVICE FOR DETECTING LINEAR STRUCTURES

Изобретение относится к сфере обработки оптической информации, в частности к способу и устройству обнаружения линейчатых структур (ЛС), и может быть применимо для обнаружения ЛЭП, мин-растяжек и других длинных, ориентированных и тонких структур, представляющих опасность для объектов, двигающихся по поверхности земли или над землей.
В связи с проблемой безопасности маршей и колонн, двигающихся по маршрутам, на которых, возможно, установлены мины с обрывными или натяжными взрывателями (мины-растяжки), возникает задача обнаружения данных минных заграждений и предотвращения потерь со стороны личного состава и военной техники. Известно, что мины-растяжки устанавливаются по пути следования марша или колонны, а натяжной или обрывной взрыватель представляет собой натянутую и тонкую ЛС и имеет направленность.
Существует достаточно большое количество средств поиска взрывоопасных предметов на открытой местности и в помещениях. К числу таких средств, в первую очередь, относятся щупы, индукционные и радиоволновые миноискатели, нелинейные радиолокаторы, собаки минно-розыскной службы и различного рода детекторы взрывчатых веществ.
Наибольшие трудности, как правило, возникают при поиске самодельных взрывных устройств с натяжными или обрывными датчиками цели как наиболее опасных. В качестве самодельных взрывных устройств наиболее часто используются ручные гранаты на растяжке. Характерной особенностью этих устройств является наличие малозаметного проволочного или нитевидного провода, зацепление за который приводит к срабатыванию взрывателя натяжного (обрывного) действия. Дальность размещения такого провода от взрывного устройства может составлять от нескольких метров до нескольких десятков метров. Возможно траление данных типов минно-взрывных заграждений. По данной тематике существует довольно много изобретений, однако эти устройства ненадежны и небезопасны для личного состава.
Также известно устройство обнаружения ЛС в виде проводов линий электропередач [1], которое разработано для летательных аппаратов при совершении ими маловысотных полетов. Радиолокационная система для обнаружения проводов линий электропередач за счет использования специального вычислителя, оптимизированного на решение задачи идентификации проводов линий электропередач, дает возможность летчику (оператору) с большой достоверностью обнаруживать провода и опоры ЛЭП. Данное устройство имеет ряд недостатков. Первым из них является ограничение на толщину ЛС, устройство ориентировано на обнаружение толстых ЛС и весьма протяженных. Вторым недостатком является высокая стоимость данного оборудования.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ обнаружения диэлектрических мин по их растяжкам [2], в котором участок поверхности освещается искусственным или естественным источником света, и судят о наличии мины по появлению на поверхности растяжки бликов от источника света в виде ярких флуктуаций отраженного света, которые сравниваются с фоновым отражением освещаемого участка поверхности. Этот способ может быть использован только для обнаружения мин собственной установки со специальными окрашенными или сформированными растяжками. Серьезным недостатком прототипа является низкая эффективность обнаружения (~50%).
Достигаемым техническим результатом предлагаемого изобретения является обнаружение ЛС в реальном времени с высокой вероятностью при минимизации ложных тревог.
Указанный технический результат достигается за счет выделения объекта поиска путем его подсветки, а также использования эффекта движения, мерцающей подсветки (при необходимости), фильтрации по цвету (наличию или отсутствию изменения цвета по обе стороны протяженного объекта) и по направленности. Необходимо отметить, что нить взрывателя (растяжка) не является линией перехода цвета, а также то, что ЛС не является прямой линией, однако ее можно представить в виде сегментов, состоящих из набора прямых линий (отрезков). По этим особенностям ЛС можно отфильтровать в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах.
Выделение данного объекта путем обнаружения сегментов изображения с прямыми линиями включает в себя фильтрацию движущихся объектов по направленности и по переходу цвета.
Принятие решения о наличии опасных объектов при необходимости может производиться путем их мерцающей подсветки.
При движении устройства происходит движение сцены вместе с ЛС в кадре, поэтому используют результат движения по нескольким изображениям (оригиналам), полученным с фотоаппаратуры, то есть обработка сцены начинается с применения детектора движения, который работает по разнице нескольких оригиналов и представляет собой бинарное изображение с непустыми пикселами в областях обнаружения движения. По детектору сегментируют области движения и выявляют вектор смещения областей.
Изображение, полученное с детектора движения, используют для выделения объектов, чье перемещение при движении превышает порог пиксельного перемещения. После этого происходит анализ перемещения и наличия вытянутых объектов. Получив области вытянутых объектов с одинаковым перемещением, применяют фильтры селекции областей по направленности - оператор Собеля [3, стр. 212-215] и по переходу цвета, после чего формируют результирующее изображение, что позволяет удалить из рассмотрения протяженные объекты, являющиеся границами цветовых зон.
Оператор Собеля применяют для выделения границ по направленности. Результатом применения оператора являются векторы градиентов яркости для каждой точки.
После сегментной обработки изображений движения формируют результирующее изображение и по нему оценивают наличие объектов, схожих с нитью-растяжкой. Данный шаг выполняют методом скользящего окна.
Для этого находят окно с наибольшими всплесками яркости изображения и определяют наличие в нем ЛС.
Для дополнительного выявления наличия ЛС можно использовать мерцание искусственного источника света для подсветки зоны обнаружения при неподвижной сцене.
Мерцающий источник света служит подсветкой для детектора движения ближних объектов и более точного распознавания. Мерцание осуществляют с частотой, примерно в два раза меньшей, чем частота получения кадров.
Структурная схема устройства, реализующего описанный способ, изображена на фигуре, где:
1 - линейчатая структура (ЛС) - объект обнаружения;
2 - цифровая видеокамера (ЦВК);
3 - источник света (ИС);
4 - ЭВМ;
5 - подвижное транспортное шасси (ПТШ), на котором размещены элементы 2, 3, 4.
Устройство обнаружения ЛС содержит ПТШ, на котором размещены ЦВК, ЭВМ и ИС, имеющий возможность функционирования как в непрерывном, так и в мерцающем режиме с частотой мерцания примерно вдвое меньше, чем частота смены кадров ЦВК, световой выход ИС через объект обнаружения связан со входом ЦВК, выход которой соединен со входом ЭВМ, первый выход которой соединен со входом ИС, второй - со входом ПТШ, а третий является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом:
- освещают сцену (без мерцания) источником света ИС 3 при движении ПТШ 5;
- сцена с объектом ЛС при движении ПТШ 5 проецируется на приемник цифровой видеокамеры ЦВК 2 и передается на ЭВМ 4 в виде ряда изображений для обработки;
- производят предварительный анализ изображений на наличие возможных ЛС в кадре и, при наличии таковых, ЭВМ 4 дает стоп-сигнал на ПТШ 5, включает (при необходимости) режим мерцания на ИС 3 (для повторного анализа изображений) и передает результирующее изображение с областями, похожими на нить взрывателя, для обработки;
- при подтверждении наличия нити взрывателя формируется отчет и оповещается оператор о наличии ЛС в кадре.
Работоспособность предложенного устройства подтверждена натурными испытаниями, проведенными в условиях городской и лесистой местности в различные времена года. В рамках эксперимента было реализовано устройство, состоящее из ЦВК, ИС, ЭВМ и ПТШ. ЛС располагалась как на фоне городских построек, так и в лесистой местности. Способ и устройство показали высокую вероятность определения ЛС (более 80%) при отсутствии ложных срабатываний. Скорость обработки была равна 21-28 кадров в секунду.
Таким образом, предложенный способ и устройство обнаружения ЛС, основанный на выделении объекта поиска путем подсветки сцены искусственным или естественным источником, а также путем использования эффекта движения, мерцающей подсветки, фильтрации по направленности и по переходу цвета при помощи цифровой видеокамеры, мерцающего источника света и ЭВМ, расположенных на подвижном транспортном шасси и связанных описанным выше способом, позволило достичь указанного технического результата - обнаружения линейчатых структур в реальном времени с высокой вероятностью при минимизации ложных тревог.
Использование предложенного изобретения позволяет повысить безопасность личного состава и военной техники при осуществлении маршей, а также обеспечить обнаружение мин с обрывным и натяжным взрывателем в местах, где невозможно траление данного типа мин. Данное изобретение является перспективным в сфере решения инженерных задач и весьма актуальным при наличии террористических угроз в настоящее время.
Источники информации
1. «Радиолокационная система для обнаружения проводов линий электропередач», патент № RU 2310885 C1, опубл. 20.11.2007.
2. «Способ обнаружения мины и растяжка для его осуществления», патент № RU 2313759 С2, опубл. 27.12.2007 (прототип).
3. Р. Гонсалес, Р. Вудс. Цифровая обработка изображений. Пер. с англ. М.: Техносфера, 2005.