СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ТОЧНОСТИ ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ ВИДЕНИЯ
PASSIVE VISION SYSTEM RELIABILITY AND ACCURACY IMPROVEMENT METHOD

Изобретение относится к многопозиционным оптическим, тепловым и пассивным радиосистемам видения для наблюдения за малоразмерными объектами [1-2]. Такие пространственно распределенные системы обладают повышенной информативностью и, как следствие, большей точностью оценивания пространственных координат объектов наблюдения и надежностью работы системы в целом в сравнении с однопозиционными системами.
Пассивная система видения наблюдает за объектами с целью определения их пространственных координат. Оценивание координат основано на эффекте стереопары, что требует как минимум двух взаимно удаленных наблюдателей или одного наблюдателя, движущегося относительно объектов наблюдения по определенной траектории. Известны способы оценивания пространственных координат объектов в пассивных системах видения [3-4].
Рассмотрим в качестве прототипа способ [4, с. 174-176] определения пространственных координат точечного объекта, который с учетом операций сегментации изображений нескольких объектов заключается в следующем.
1. Два взаимно удаленных на базовое расстояние наблюдателя, образующих стереопару, одновременного наблюдают за m малоразмерными объектами при известной взаимной ориентации систем координат - матрице поворота осей Р и базового векторе b, соединяющем центры систем координат.
2. Для каждого наблюдателя формируется изображение зоны обзора в виде матрицы (кадра) амплитудного изображения. Каждую матрицу сегментируют путем выделения однородных по амплитуде подобластей с помощью стандартных операций сегментации, например [5].
3. Для каждого сегмента в матрице изображения определяют координаты его центра, а также амплитудные и геометрические характеристики.
4. В матрицах наблюдателей устанавливают m пар сопряженных точек - центров сегментов, указывающих направление на один и тот же объект.
5. Для каждой сопряженной пары на основе координат центров и известной взаимной ориентации систем координат вычисляют пространственные координаты центра объекта в системе координат первого наблюдателя методом наименьших квадратов.
Такой способ обладает следующими недостатками.
1. В способе отсутствует правило выбора сопряженных пар точек, без которого нельзя вычислить пространственные координаты объектов.
2. Точность оценок координат при заданных параметрах системы (базовом расстоянии, погрешности измерения координат, ошибок взаимной ориентации) потенциально не может быть повышена при ограниченном числе наблюдателей n=2.
2
3. В случае выхода из строя (сбоя работы) хотя бы одного из двух наблюдателей выходит из строя вся система наблюдения за объектами. При вероятности p безотказной работы каждого наблюдателя надежность такой системы ограничена вероятностью p.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков, а именно на указание правила выбора пар сопряженных точек, повышение надежности системы наблюдения и точности оценивания пространственных координат.
Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа повышения надежности и точности пассивной системы видения, который заключается в расположении взаимно удаленных на базовые расстояния наблюдателей, выполнении операций сегментации изображений в матрицах наблюдателей и нахождении центров сегментов, отличающийся тем, что увеличивают количество n взаимно удаленных наблюдателей до n>2 и параллельно выполняют n однотипных схем операций, причем при выполнении k-й схемы () считают, что k-й наблюдатель является основным, а остальные n-1 наблюдателей являются по отношению к нему вспомогательными и пересчитывают свои координаты в систему координат k-го наблюдателя, при этом в каждой из n-1 пар основного и вспомогательного наблюдателей перебирают неповторяющиеся варианты соединения ортов направлений на объекты в сопряженные пары с вычислением пространственных координат объектов и выбирают наилучшие варианты в смысле установленного показателя правильности сопряжения, затем из всех n-1 пар наблюдателей выбирают одну пару с наилучшим показателем сопряжения и запоминают значение показателя и пространственные координаты объектов, после чего среди n параллельно выполненных схем операций выбирают схему с наилучшим показателем сопряжения и полученные для данной схемы оценки пространственных координат m объектов передают на сопровождение, кроме того, если происходит отказ в работе выбранной схемы с основным наблюдателем, то выбирают следующую параллельно выполненную схему с наилучшим показателем сопряжения и соответствующего этой схеме основного наблюдателя с его оценками координат, и продолжают подобный выбор в случае новых отказов.
Расчетная часть
a
a
a
1
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
k
По известным координатам центров сегментов определяются орты векторов направлений на центры m объектов: (i), , в системе координат 1-го (центрального) наблюдателя и (j), , в системах координат k-х (вспомогательных) наблюдателей (). Так, в системах видения с оптической линзой и фокусным расстоянием ƒ имеем: , где x,y - координаты центра сегмента в матрице оптического изображения. В пассивных системах радиовидения со сканирующей антенной: =(cosθ sinϕ, sinθ, cosθ cosϕ), где ϕ, θ - угловые координаты линии визирования антенны, соответствующие центру сегмента.
k
k
1
k
a
a
Каждый k-й вспомогательный наблюдатель () связан с основным наблюдателем (k=1) известной взаимной ориентацией - матрицей поворота осей координат P и вектором-столбцом параллельного переноса b - базовым вектором так, что в системе координат первого наблюдателя для пары сопряженных ортов (i) и (j), направленных к центру одного и того же объекта, справедливо равенство:
1
k
где r(i) и r(j) - наклонные дальности до центра объекта в системах координат основного и k-го вспомогательного наблюдателей.
Равенство (1) представляет собой условие линейной зависимости трех векторов, замыкающихся по правилу треугольника.
a
k
i
При сегментации изображений в k-х матрицах () определяются векторы параметров i-x сегментов ,  где ,, - координаты i-го орта (i);  - амплитуда; s - площадь сегмента (возможны дополнительно другие характеристики).
a
a
a
a
1
k
1
k
i
Путем перебора вариантов соединения ортов (i) и (j) в m неповторяющихся пар выбираются m наилучших сопряженных пар. Для каждой пары ортов (i) и (j), поставленных в соответствие друг другу, критерием правильного сопряжения является минимум показателя:
а
s
a
s
где γ, , γ - коэффициенты, определяющие вес каждого частного показателя; J, , J - частные показатели, имеющие следующий смысл.
a
1
k
i
i
а
a
Показатель J - показатель правильности сопряжения пары ортов (i) и (j) (номер j поставлен в соответствие номеру i), который устанавливается следующим образом.
a
a
a
a
1
k
i
1
k
i
k
i
Если два орта (i) и (j) направлены к центру одного и того же объекта, то для трех векторов (i), (j) и b выполняется равенство (1) с точностью до вектора ошибок сопряжения e:
i
По критерию минимума квадрата евклидовой нормы вектора ошибок (символы i, j для удобства опущены):
1
2
1
k
выполняются стандартные операции минимизации функции J(r,r) в (4) по r и r:
,
,
или после транспонирования и группирования:
T
где учтено, что в силу ортогональности P Р=I, I - единичная матрица.
Выражение (5) записывается в матричной форме с учетом :
-1
Из (6) с помощью обратной матрицы А получаются оценки дальностей:
1
k
и далее на основе (7) вычисляются оценки координат центров объектов - точек M, и M в системах координат 1-го и k-то наблюдателей:
, .
a
Правдоподобие равенства (3) можно оценить квадратом евклидовой нормы вектора ошибок , что и является первым показателем J.
s
Показатели  и J - показатели близости амплитудных и геометрических характеристик сопряженных пар в среднеквадратичном смысле:
.
Надежность и точность системы
n
Надежность предложенной системы с параллельной обработкой информации определяется вероятностью того, что при вероятности р безотказной работы каждого наблюдателя хотя бы 2 из n наблюдателей будут работать надежно. С применением формулы Бернулли получается вероятность p безотказной работы системы:
2
5
2
5
2
2
которую при n>2 можно сравнить с вероятностью р=р. Так, при р=0,9 и n=5 имеем: р=0,99954 в сравнении с р=0,81. При р=0,8: р=0,9904 в сравнении с р=0,64.
Вместе с повышением надежности системы для n>2 наблюдателей также увеличивается точность определения координат объектов в силу выбора наилучших вариантов сопряжения и соответствующих им оценок дальности по критерию минимума показателя (2). Такой выбор обусловлен предположением о возможности сбоев в работе отдельных наблюдателей и вследствие этого получения центральным наблюдателем ложных данных. При отсутствии сбоев правило выбора наилучшей оценки дальности заменяется правилом усреднения n-1 оценок дальности, полученных в системе центрального наблюдателя для n-1 сопряженных пар. При этом среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибок оценок дальностей уменьшается в  раз.
Предложенный способ может найти применение в существующих пассивных системах технического зрения (оптических и радиотехнических), использующих эффект стереопары, для определения пространственных координат объектов. Способ позволяет повысить надежность работы системы наблюдения в целом и точность определения пространственных координат.
Литература
1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учеб. для вузов. М: Радиотехника, 2007. 376 с.
2. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993. 416 с.
3. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М.: Радиотехника, 2008. 320 с.
4. Цифровая обработка изображений в информационных системах: учеб. пособие / И.С. Грузман, B.C. Киричук и др. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. 352 с.
5. Гонсалес Р., Вудс Р., Эддинс С. Цифровая обработка изображений в среде MATLAB. М.: Техносфера, 2006. 616 с.