СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТЕЙ ДО ОБЪЕКТОВ В ПАССИВНЫХ СИСТЕМАХ ВИДЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING DISTANCES TO OBJECTS IN PASSIVE VISION SYSTEMS

Изобретение относится к пассивным системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн [1, 2], предназначенным для наблюдения за малоразмерными объектами. В системах оптического и инфракрасного диапазонов сигналы отражения и излучения от объектов проходят через оптические линзы, преобразуются в уровни амплитуды и отображаются в матрицах (кадрах) плоского изображения двух наблюдателей, взаимно удаленных в пространстве и образующих стереопару. В пассивной радиосистеме миллиметрового диапазона сигналы излучения от объектов принимается антеннами, сканирующими по пространству, проходят тракт первичной обработки и по результатам сканирования преобразуются в уровни амплитуды и отображаются в матрицах плоского изображения двух наблюдателей, также образующих стереопару.
Полученные в указанных системах изображения объектов в k-х матрицах (k=1, 2) сегментируются выделением однородных по амплитуде подобластей с помощью известных операций сегментации, например [3], и каждый сегмент представляется вектором параметров, включающим координаты центра сегмента, среднюю амплитуду и геометрические характеристики.
k
k
k
k
k
Для измерения дальности до объекта в системах с оптической линзой рассматривается пара сопряженных точек V=(x, y,1), k=1, 2 - центров сегментов, отображающих центр объекта в прямоугольных координатах двух матриц оптического изображения (единица замещает неизвестную третью координату). Для известных матриц внутренних параметров камер A, k=1, 2, зависящих от фокусных расстояний ƒ, устанавливается связь:
k
k
k
k
ZV=AM [1], где  - центр объекта в прямоугольной системе k-го наблюдателя, совмещенной с центром оптической линзы.
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
a
a
Для измерения дальности до объекта в радиосистемах со сканирующими антеннами рассматривается пара спряженных точек V=(ϕ, θ), k=1, 2 - центров сегментов, показывающих центр объекта в угловых координатах азимута и угла места двух матриц радиотеплового изображения. На основе измеренных координат ϕ, θ устанавливаются сопряженные орты , k=1, 2, векторов направления на центр объекта в прямоугольных координатах, совмещенных с центрами антенн: =(cosθ sinϕ, sin θ, cos θ cos ϕ). Использование ортов применимо также и для систем с оптическими линзами, в этом случае орты определятся как
1
2
k
k
k
1
2
1
2
1
1
2
2
1
2
a
a
a
При известных наклонных дальностях r и r до объекта пространственные координаты объекта в системах координат наблюдателей находятся как M=r, k=1, 2. При известной взаимной ориентации наблюдателей - матрицы поворота осей Р и базового вектора b, соединяющего центры двух систем координат, для перехода из системы координат второго наблюдателя в систему первого устанавливается связь М и М: М=РМ+b, r=rP+b или с учетом вектора е ошибок сопряжения М и М:
1
2
В реальности в пассивном режиме наблюдения дальности r и r до объекта неизвестны и требуется нахождение их оценок  Для определения оценок дальностей используется известный способ, основанный на методе [1] наименьших квадратов (МНК), а также способ геометрических построений с помощью теоремы синусов [4]. Рассмотрим в качестве прототипа способ [1, с. 174 - 176], который с учетом операций сегментации сводится к следующему.
1. Размещают в пространстве двух взаимно удаленных наблюдателей на базовом расстоянии, контролирующих объект при известной матрице Р поворота осей и базовом векторе b.
2. В двух матрицах оптического изображения выполняют операции сегментации изображений объекта.
k
k
k
3. Находят точки V(x, y, 1), k=1, 2, центра сегмента в координатах х, у плоских кадров изображения.
k
k
k
k
4. Определяют матрицы A, k=1, 2, внутренних параметров камер, зависящие от фокусных расстояний ƒ оптических линз, и устанавливают связь  где M - сопряженные точки, Z - координаты центра объекта в системах наблюдателей, подлежащие оцениванию.
5. Из условия минимума квадрата евклидовой нормы вектора ошибок сопряжения (1):
1
2
находят МНК-оценки  неизвестных координат Z и Z.
6. Вычисляют дальности как  k=1, 2.
Данный способ обладает следующими недостатками.
k
k
k
1. Способ рассчитан только на оптические системы, в том числе тепловые, с наличие оптических линз, позволяющих использовать фокусные расстояния ƒ в составе матриц A для нахождения оценок координат Z, k=1, 2. Поэтому данный способ не применим для пассивных радиосистем с антеннами.
1
2
2. Способ-прототип не показывает операций нахождения сопряженных пар точек в матрицах наблюдателей и поэтому не применим для оценивания наклонных дальностей r и r при наблюдении за несколькими объектами.
1
2
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков, а именно на определение дальностей r и r как в оптических, так и в радиосистемах при наличии нескольких объектов наблюдения.
a
a
а
a
a
a
a
1
2
1
2
1
2
i
i
2
i
1
2
i
1
2
i
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа определения дальностей до объектов в пассивных системах видения, который заключается в расположении двух наблюдателей, взаимно удаленных на базовое расстояние, выполнении операций сегментации изображений объектов в двух матрицах изображения наблюдателей и нахождении центров сегментов, отличающийся тем, что для найденных центров m сегментов определяют орты (i) векторов i-x направлений на центры объектов первого наблюдателя и орты (j) векторов j-x направлений на центры объектов второго наблюдателя, где  затем для всех m! вариантов соединения ортов  (j) и (j),  в m неповторяющихся сопряженных пар вычисляют оценки дальностей r(i) и r(j),  по критерию минимума суммы квадрата евклидовых норм векторов e ошибок сопряжения ортов  где Р - матрица поворота осей при пересчете координат орта (j) в систему координат первого наблюдателя, b - базовый вектор, соединяющий центры систем координат наблюдателей, после чего выбирают вариант m пар соединения ортов  и (j), с наименьшим значениям показателя J и получают оценки дальностей r(i) и r(j),  до m объектов, соответствующие данному показателю.
Алгоритмически способ осуществляют следующим образом.
1. Размещают в пространстве двух взаимно удаленных наблюдателей на базовом расстоянии, контролирующих несколько объектов при известной матрице Р поворота осей и базовом векторе b.
2. В двух матрицах изображения наблюдателей выполняют операции сегментации изображений объектов и находят координаты центров сегментов.
а
а
1
2
3. Для найденных центров m сегментов определяют орты  (i) векторов i-x направлений на центры объектов первого наблюдателя и орты  (j) векторов j-x направлений второго наблюдателя, где
а
a
1
2
i
i
1
2
i
i
4. Для всех m! вариантов соединения ортов (i) и (j) в m неповторяющихся сопряженных пар, где j ∈ {1, 2, …, m}, находят оценки дальностей r(i) и r(j) по критерию минимума квадрата евклидовой нормы вектора eошибок сопряжения ортов:
где Т - символ транспонирования вектора-столбца.
1
2
1
2
i
А именно, на этапе расчетов выполняют операции минимизации функции J(r, r) в (2) по r и r (символы i и j для удобства опущены):
1
1
1
2
2
1
2
1
1
2
2
2
a
a
a
a
a
а
T
Т
T
Т
∂J/∂r=2(r-rP-b)=0, ∂J/∂r=2(r-rP-b)(-Р)=0, или после транспонирования и группирования:
T
где учтено, что в силу ортогональности PP=I, I - единичная матрица.
После записи (3) в матричной форме с учетом  имеем:
После обращения матрицы А в (4) вычисляют оценки дальностей:
a
a
1
2
i
i
5. Из m! вариантов соединения ортов в m неповторяющихся пар (i) и (j),  j ∈ {1, 2, …, m}, выбирают вариант с наименьшим значением показателя правильности сопряжения  При этом получают оценки (5) дальностей  соответствующие показателю J.
6. На основе оценок  вычисляют оценки пространственных координат m объектов в системах координат двух наблюдателей:
а
а
1
2
i
Замечание. Перебор m! вариантов из m пар можно сократить путем проверки компланарности - близости к нулю (с учетом ошибок) смешанного произведения трех векторов: (i), (j)) и b.
ср
х
Результаты моделирования. Моделировались два наблюдателя, разнесенные по координате X на 30 м, по координатам Y и 2 - на 2 и 3 м, наблюдались объекты, удаленные на 100 - 110 м. Координаты наблюдателей на множестве реализаций эксперимента менялись в пределах нескольких метров. Взаимная ориентация наблюдателей - матрица поворота осей Р и базовый вектор b были известны. При этом для пар сопряженных ортов направлений на объекты определялись дальности и пространственные координаты объектов по формулам (5) и (6). В таблице показана зависимость среднего расстояния d между найденными и моделируемыми точками (центрами объектов) от среднеквадратической ошибки а измерения координат ортов.
Предложенный способ определения дальностей до объектов может найти применение в существующих оптических и радиотехнических системах пассивного видения при наблюдении за несколькими объектами.
Литература
1. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.
2. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 с.
3. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М: Техносфера, 2006. 616 с.
4. Патент RU 2368918 С1. Способ формирования трехмерного изображения поверхности на базе бортового радиотеплолокатора / В.К. Клочко. МПК: G01S 13/89. Приоритет 07.04.2008. Опубл.: 27.09. 2009. Бюл. №27.