Способ определения дальностей до объектов в пассивных системах видения

Изобретение относится к пассивным системам видения оптического, инфракрасного и миллиметрового диапазонов длин волн, предназначенным для наблюдения за малоразмерными объектами. Достигаемый технический результат - определение дальностей как в оптических, так и в радиосистемах при наличии нескольких объектов наблюдения. Указанный результат достигается за счет того, что способ определения дальностей в пассивных системах видения заключается в определении ортов векторов направлений на центры объектов в матрицах изображения двух взаимно удаленных наблюдателей и выборе неповторяющихся пар ортов, поставленных в соответствие друг другу, по критерию минимума квадрата евклидовой нормы вектора ошибок сопряжения ортов с одновременным вычислением оценок дальностей до объектов. На основе полученных оценок дальностей определяются пространственные координаты объектов. 1 табл.

 

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.

Для измерения дальности до объекта в системах с оптической линзой рассматривается пара сопряженных точек V_k=(x_k, y_k,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, k=1, 2, зависящих от фокусных расстояний ƒ_k, устанавливается связь:

Z_kV_k=A_kM_k [1], где - центр объекта в прямоугольной системе k-го наблюдателя, совмещенной с центром оптической линзы.

Для измерения дальности до объекта в радиосистемах со сканирующими антеннами рассматривается пара спряженных точек V_k=(ϕ_k, θ_k), k=1, 2 - центров сегментов, показывающих центр объекта в угловых координатах азимута и угла места двух матриц радиотеплового изображения. На основе измеренных координат ϕ_k, θ_k устанавливаются сопряженные орты a_k, k=1, 2, векторов направления на центр объекта в прямоугольных координатах, совмещенных с центрами антенн: a_k=(cosθ_k sinϕ_k, sin θ_k, cos θ_k cos ϕ_k). Использование ортов применимо также и для систем с оптическими линзами, в этом случае орты определятся как

При известных наклонных дальностях r₁ и r₂ до объекта пространственные координаты объекта в системах координат наблюдателей находятся как M_k=r_ka_k, 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 М₁ и М₂: М₁=РМ₂+b, r₁a₁=r₂Pa₂+b или с учетом вектора е ошибок сопряжения М₁ и М₂:

В реальности в пассивном режиме наблюдения дальности r₁ и r₂ 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.

3. Находят точки V_k(x_k, y_k, 1), k=1, 2, центра сегмента в координатах х, у плоских кадров изображения.

4. Определяют матрицы A_k, k=1, 2, внутренних параметров камер, зависящие от фокусных расстояний ƒ_k оптических линз, и устанавливают связь где M_k - сопряженные точки, Z_k - координаты центра объекта в системах наблюдателей, подлежащие оцениванию.

5. Из условия минимума квадрата евклидовой нормы вектора ошибок сопряжения (1):

находят МНК-оценки неизвестных координат Z₁ и Z₂.

6. Вычисляют дальности как k=1, 2.

Данный способ обладает следующими недостатками.

1. Способ рассчитан только на оптические системы, в том числе тепловые, с наличие оптических линз, позволяющих использовать фокусные расстояния ƒ_k в составе матриц A_k для нахождения оценок координат Z_k, k=1, 2. Поэтому данный способ не применим для пассивных радиосистем с антеннами.

2. Способ-прототип не показывает операций нахождения сопряженных пар точек в матрицах наблюдателей и поэтому не применим для оценивания наклонных дальностей r₁ и r₂ при наблюдении за несколькими объектами.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этих недостатков, а именно на определение дальностей r₁ и r₂ как в оптических, так и в радиосистемах при наличии нескольких объектов наблюдения.

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 a₁(i) векторов i-x направлений на центры объектов первого наблюдателя и орты a₂(j) векторов j-x направлений на центры объектов второго наблюдателя, где затем для всех m! вариантов соединения ортов а₁ (j) и a₂(j), в m неповторяющихся сопряженных пар вычисляют оценки дальностей r₁(i) и r₂(j_i), по критерию минимума суммы квадрата евклидовых норм векторов e_i ошибок сопряжения ортов где Р - матрица поворота осей при пересчете координат орта a₂(j_i) в систему координат первого наблюдателя, b - базовый вектор, соединяющий центры систем координат наблюдателей, после чего выбирают вариант m пар соединения ортов a₁ и a₂(j_i), с наименьшим значениям показателя J и получают оценки дальностей r₁(i) и r₂(j_i), 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.

3. Для найденных центров m сегментов определяют орты а₁ (i) векторов i-x направлений на центры объектов первого наблюдателя и орты а₂ (j) векторов j-x направлений второго наблюдателя, где

4. Для всех m! вариантов соединения ортов а₁(i) и a₂(j_i) в m неповторяющихся сопряженных пар, где j_i ∈ {1, 2, …, m}, находят оценки дальностей r₁(i) и r₂(j_i) по критерию минимума квадрата евклидовой нормы вектора e_i ошибок сопряжения ортов:

где Т - символ транспонирования вектора-столбца.

А именно, на этапе расчетов выполняют операции минимизации функции J(r₁, r₂) в (2) по r₁ и r₂ (символы i и j_i для удобства опущены):

∂J/∂r₁=2(r₁a₁-r₂Pa₂-b)^Ta₁=0^Т, ∂J/∂r₂=2(r₁a₁-r₂Pa₂-b)^T(-Ра₂)=0^Т, или после транспонирования и группирования:

где учтено, что в силу ортогональности P^TP=I, I - единичная матрица.

После записи (3) в матричной форме с учетом имеем:

После обращения матрицы А в (4) вычисляют оценки дальностей:

5. Из m! вариантов соединения ортов в m неповторяющихся пар a₁(i) и a₂(j_i), j_i ∈ {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:

Замечание. Перебор m! вариантов из m пар можно сократить путем проверки компланарности - близости к нулю (с учетом ошибок) смешанного произведения трех векторов: а₁(i), а₂(j_i)) и b.

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_ср между найденными и моделируемыми точками (центрами объектов) от среднеквадратической ошибки а_х 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.

Способ определения дальностей до объектов в пассивных системах видения, заключающийся 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 сегментов определяют орты a₁(i) векторов i-х направлений на центры объектов первого наблюдателя и орты a₂(j) векторов j-x направлений на центры объектов второго наблюдателя, где i, затем для всех ₁ вариантов соединения ортов а₁(i) и а₂(j_i), в неповторяющихся сопряженных пар вычисляют оценки дальностей r₁(i) и r₂(j_i), по критерию минимума суммы квадрата евклидовых норм векторов е_i ошибок сопряжения ортов где Р - матрица поворота осей при пересчете координат орта a₂(j_i) в систему координат первого наблюдателя, b - базовый вектор, соединяющий центры систем координат наблюдателей, после чего выбирают вариант пар соединения ортов a₁(i) и а₂(j_i), с наименьшим значениям показателя J и получают оценки дальностей r₁(i) и r₂(j_i), до объектов, соответствующие данному показателю.