Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Информационно-измерительные системы

Диссертационная работа:

Заботин Иван Николаевич. Стереоскопическая информационно-измерительная система определения параметров движущихся объектов : диссертация ... кандидата технических наук : 05.11.16 / Заботин Иван Николаевич; [Место защиты: Сам. гос. техн. ун-т]. - Самара, 2008. - 169 с. : ил. РГБ ОД, 61:08-5/57

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Список условных обозначений и терминов 5

Введение 6

1 Анализ методов и систем определения параметров движущихся объектов 17

1.1 Анализ систем.определения параметров движущихся объектов 17

1.2 Требования к ИИС определения параметров движущихся объектов 23

1.3 Анализ методов определения параметров движущихся объектов 25

1.3.1 Пироэлектрический метод 26

1.3.2 Ультразвуковой метод 28

1.3.3 Микроволновый метод 29

1.3.4 Телевизионный- метод 31

1.3.5 Комбинированный метод ' 3 4

1.4-Анализ методов выделения и локализации движущихся объектов на основе обработки последовательности изображений 37

1.4.1 Пространственные методы 37

1.4.2 Временные методы 39

1.4.3 Пространственно-временные методы 4 Г '

1.5 Анализ методов совмещения изображений объектов на стереопаре 42

Выводы к первому разделу 49

2 Разработка математической модели определения параметров движущихся объектов 51

2.1 Математическая модель адаптивной фильтрации изображений 53

2.2 Математическая модель выделения и локализации движущихся объектов на последовательности изображений 57

2.3 Математическая модель определения диспарантности точек изображений объектов на стереопаре 63

2.4 Математическая модель определения пространственных координат точек объектов 68

2.5 Математическая модель определения параметров объектов 74

Выводы ко второму разделу 76

3 Разработка стереоскопической ИИС определения параметров движущихся объектов 77

3.1 Структурная схема стереоскопической ИИС определения параметров движущихся объектов 77

3.2 Методы и алгоритмы определения параметров движущихся объектов 81

3.2.1 Основные этапы определения параметров движущихся объектов 81

3.2.2 Пространственно-временной метод адаптивной фильтрации изображений 82

3.2.3 Метод выделения и локализации движущихся объектов 89

3.2.4 Метод определения диспарантности точек изображений объектов на стереопаре 93

3.2.5 Алгоритм»адаптивной фильтрации изображений 995

3.2.6 Алгоритм выделения и локализации движущихся объектов 101'

3.2.7 Алгоритм определения диспарантности точек изображений объектов на стереопаре 106

3.2.8 Алгоритм определения пространственных параметров движущихся объектов 109

3.3 Исследование основных параметров стереоскопической-информационно- измерительной системы определения параметров движущихся объектов в пространстве 112

3.3.1 Оценка временных затрат на обработку информации 112

3.3.2 Оценка параметров допустимой дальности и скорости обнаруживаемого объекта 114

Выводы к третьему разделу 116

4 Экспериментальное исследование стереоскопической ИИС определения параметров движущихся объектов 118

4.1 Особенности конструкции стереоскопического датчика изображений 119

4.2 Анализ метрологических характеристик стереоскопической ИИС определения параметров движущихся объектов 121

4.2.1 Анализ методической погрешности определения параметров движущихся объектов 121

4.2.2 Анализ инструментальной погрешности определения параметров движущихся объектов 128

4.2.3 Оценка результирующей погрешности определения параметров движущихся объектов 136

4.3 Методика проведения экспериментального исследования 138

4.4 Проведение экспериментальных исследований 144

Выводы к четвёртому разделу 152

Заключение 154

Список использованных источников 157-

Приложения 168

Приложение А. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 168

Приложение Б. Акт о внедрении результатов диссертационной работы 169 

Введение к работе:

В настоящее время в различных отраслях промышленности широкое практическое применение находят системы определения параметров движущихся объектов (ОПДО), например, при контроле качества изделий в производственных процессах, построении траектории движущихся объектов, при,проведении испытаний и так далее. Особый исследовательский интерес представляет их использование в комплексах обеспечения безопасности промышленных объектов.в составе систем-охранного телевидения (СОТ) в качестве обнаружителя движения (ОД) - устройства, формирующего сигнал извещения при обнаружении изменений, обусловленных движением (появлением) цели на сцене [23].

В? общем случае СОТ включает в себя телевизионную камеру (ТК) с объективом, видеомонитор,- видеонакопитель, источник электропитания и соединительные линии [34]. При этом решаются.следующие типовые задачи:

• Оперативное наблюдение за охраняемой территорией, зданием и помещениями — обнаружение нарушителя возложено на оператора;

• Оценка сигнала- тревоги - телекамера используется совместно с техническим средством охраны (ТСО) для подтверждения? факта срабатывания последнего;

• Документирование событий на объекте - материал видеоархивов может оказаться полезным в качестве доказательной- базы при-расследовании несанкционированных действий.

Это самые простые функции системы охранного телевидения, требующие присутствия человека-оператора и/или постоянной записи. И, как показывает практика, их не достаточно для эффективной работы СОТ и комплекса безопасности объекта в целом:

Одна из причин - человеческий фактор. В большинстве случаев операторы СОТ перегружены данными, которые они не могут эффективно контролировать. Эксперименты показали, после 12 минут непрерывного наблюдения среднестатистический оператор начинает пропускать до 45% изменений, которые происходят в кадре. После 22 минут этот показатель возрастает до 95% [72, 73]. Кроме того, если системы наблюдения включают множество телекамер, то оператор уделяет слишком мало внимания каждой из них. Это обстоятельство является одной из главных причин, почему в составе СОТ, дополнительно используют системы ОПДО. В этом случае телевидение берет на себя функцию автоматической оценки обстановки; что снижает влияние человеческого фактора и значительно повышает эффективность работы всего комплекса безопасности объекта. Так, например, режим записи по сигналу от системы ОПДО позволяет увеличить суммарное время регистрации и сохранить при этом качестве архивируемого изображения. Последнее, при анализе видеоархива, играет огромную роль — на стоп - кадре часто1 приходиться рассматривать мелкие детали (лица, предметы- и т.п.). Для этого, при цифровой обработке, применяются? специализированные алгоритмы увеличения размеров и повышения контраста мелких деталей, которые дают лучшие результаты при большем разрешении изображения и меньшей степени его компрессии. Другое преимущество заключается в том, что система ОПДО позволяет снизить требования к количеству сотрудников системы безопасности или уменьшить нагрузку на каждого из них. Так при наличии нескольких телекамер, наблюдение приходится вести за каждой из них по очереди, это требует большой- сосредоточенности и внимательности от оператора, чтобы не пропустить какое-либо событие. Система ОПДО самостоятельно определяет тревожные ситуации и оповещает об этом оператора, которому остаётся принять, необходимые и адекватные ситуации меры. В интегрированных системах безопасности (ИСБ) существует возможность выполнения ряда действий по сигналу от системы ОПДО автоматически [А6, 18].

Следует подчеркнуть, что практически для всех случаев применения систем ОПДО в составе СОТ, классифицировать большинство движущихся объектов как цель или фон затруднительно, так как в зависимости от задачи, решаемой системой ОПДО, один и тот же объект может быть как фоном, так и целью. Например, автомобиль - фон, мешающий обнаружению человека-нарушителя и этот же автомобиль - цель для систем, устанавливаемых на транспортных контрольно-пропускных пунктах. Поэтому при выделении реальной цели из фоно-целевой обстановки (ФЦО) большое значение имеет точное определение системой как можно большего числа параметров движущегося объекта для их сравнения с заданными.

В настоящее время в промышленности получили развитие различные методы определения параметров движущихся объектов [63], в том числе ультразвуковые, микроволновые, пироэлектрические и прочие. Наиболее-развивающимся является телевизионный метод, который заключается в обработке данных от датчика изображения, например телевизионной камеры, специальными алгоритмами для выявления в нём признака движения объекта и получения его параметров.

Вместе с тем проблема применения методов определения параметров движущихся объектов остаётся актуальной. В частности, несмотря на явные преимущества, в большинстве источников по системам безопасности [25, 40, 43, 33, 17, 49], телевизионные системы ОПДО фигурируют только как вспомогательное средство, без упоминания о функции обнаружения. Основная причина этого - низкое качество существующих систем.

Современный этап развития телевизионных систем ОПДО и СОТ характеризуется преимущественным применением двумерных систем визуализации и обработки изображений. Как следствие селекция по линейным размерам не отражает соотношение истинных размеров регистрируемых целей. И мелкое животное и человек на экране могут оказаться одних размеров и отличить их друг от друга можно в том случае, если каждому из них добавить ещё один параметр дальность. Более того, некоторые задачи, связанные с анализом изображений не могут быть решены или решаются с существенной потерей времени и качества без использования пространственных характеристик объекта. Плоская проекция не является реальным отображением действительности. Недостатками этого являются: реагирование на объекты, пересекающие зону обнаружения на переднем и заднем плане, и невозможность отстройки от фона. А, как правило, даже самое сложное программное обеспечение не исключает ложных срабатываний на движущийся фон или объекты.

Таким образом, построение эффективных систем ОПДО требует оперировать трехмерной информацией и обрабатывать её в реальном масштабе времени с целью определения пространственных параметров движущихся объектов. Одним из способов получения информации о глубине регистрируемой сцены, является применение принципов стереоскопического телевидения. В этом случае в качестве датчика изображения выступают две идентичные по характеристикам телевизионные камеры, которые удалены друг от друга на определённое расстояние.

Подобная система позволяет добиться качественно новых результатов по определению параметров движущихся объектов. Достоверность обнаружения объектов в условиях сложной фоно-целевой обстановки (ФЦО), полученная при обработке стереоизображения, многократно превышает достоверность, которую в принципе можно достигнуть в двумерных системах. Это определяется возможностью извлекать точную информацию о положении и поведении объекта в пространстве - действительные размеры, расстояние до объекта, направление и скорость его перемещения, в том числе при изменениях вектора перемещения. Кроме того, информация о глубине сцены, позволяет определять зону обнаружения в виде объёмных фигур. Так, например, на объекте вдоль ограждения, можно выделить объемные зоны, которые будут реагировать на приближение к ограде, и в тоже время беспрепятственно пропускать персонал через контрольно-пропускной пункт. Помимо этого открываются новые возможности по опознаванию объектов и их классификации. Если образцы, с которыми необходимо сравнивать движущийся объект, - трёхмерные, то сравнение выполняется точнее, хотя при этом возрастает и объём затраченных на это вычислительных ресурсов. Из трёхмерной модели объекта можно получить больше признаков, что позволяет более точно проводить классификацию объекта [А5].

Стереоскопические системы ОПДО для СОТ только начинают появляться на рынке систем безопасности, и информация в литературе о них носит преимущественно рекламный характер. Основными недостатками известных систем являются малое быстродействие и недостаточная точность измерения параметров движущихся объектов. Малое быстродействие обусловлено большой вычислительной сложностью используемых алгоритмов обнаружения объектов и определения их параметров, что не позволяет на практике строить системы, функционирующие в реальном времени. Недостаточная точность измерений приводит к некорректному определению размера объекта, его скорости, его классификации - всё это в свою очередь является предпосылкой к ложным извещениям системы.

В связи с выше сказанным разработка стереоскопической информационно-измерительной системы (ИСС) для определения параметров движущихся объектов с высокой точностью и в реальном масштабе времени представляется весьма актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов для определения параметров движущихся объектов и создание на их основе стереоскопической информационно-измерительной системы, обеспечивающей определение пространственных параметров движущихся объектов с заданной точностью в реальном масштабе времени.

Объектом исследований в работе является процесс обработки и «понимания» изображений стереоскопических телевизионных камер для промышленных отраслей.

Предметом исследований являются методы и алгоритмы обнаружения и определения параметров движущихся объектов в условиях сложной фоно-целевой обстановки, в реальном масштабе времени.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи исследования:

1. Анализ существующих методов и систем определения параметров движущихся объектов впространстве;

2. Формулирование основных требований к разрабатываемой ИИС и обоснование выбора телевизионного метода ОПДО;

3. Анализ методов выделения и локализации движущихся объектов на основе обработки последовательности изображений;

4. Анализ методов совмещения изображений выделенных объектов на стереопаре;

5. Разработка математической модели определения параметров движущихся объектов;

6. Разработка методов и алгоритмов для определения параметров движущихся объектов;

7. Оценка основных параметров стереоскопической ИИС определения параметров движущихся объектов;

8. Исследование методических и инструментальных погрешностей, а также рассмотрение их влияния на результирующую погрешность определения параметров движущихся объектов;

9. Создание методики тестирования стереоскопических систем определения параметров движущихся объектов;

10.Экспериментальное исследование разработанной стереоскопической ИИС ОПДО на основе предложенной методики тестирования систем ОПДО.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались: основы теории измерений, методы системного- анализа, обработки информации, методы линейной алгебры, аналитической геометрии, математического моделирования, аппарат математического анализа и теории погрешностей.

Научная новизна проведённых в диссертационной; работе исследований заключается в следующем:

1. Разработан метод и алгоритм выделения и локализации движущихся объектов на последовательности изображений, который позволяет адаптироваться к повторяющимся изменениям заднего плана и освещения за счёт моделирования каждой точки изображения с помощью смеси нормально распределённых случайных величин;

2. Разработан метод и алгоритм адаптивной фильтрации изображений, отличительной особенностью которого является динамическая оценка полной дисперсии шума на изображении;

3. Разработана математическая модель определения параметров движущихся объектов в условиях сложной структуры фона, которая представляет собой совокупность моделей основных процессов ОПДО в созданной стереоскопической ИИС и позволяет оценить вероятность обнаружения, а также точность измерения параметров движущихся объектов;

4. Предложена методика экспериментального исследования стереоскопических ИИС определения параметров движущихся объектов, которая позволяет эффективно оценивать основные параметры систем, и не требует наличия дополнительных аппаратных и программных средств.

Обоснованность результатов диссертационной работы, полученных с использованием признанных научных положений и апробированных методов исследования, подтверждается корректным применением математического аппарата и согласованностью результатов с известными теоретическими положениями.

Достоверность результатов подтверждается хорошим согласованием теоретических данных, полученных с помощью математического моделирования, и научных выводов.

Практическая ценность:

1. Разработанная математическая модель определения параметров движущихся объектов позволяет создавать инженерные методики , для расчёта основных характеристик стереоскопической, информационно-измерительной системы;

2. Разработанная стереоскопическая информационно-измерительная система ОПДО позволяет организовать независимый рубеж контроля; в системах безопасности промышленных объектов,- что подтверждают полученные результаты экспериментальных исследований;

3. Внедрение разработанной стереоскопической информационно-измерительной системы ОПДО повышает вероятность правильного обнаружения- движущихся объектов- за счёт измерения с высокой точностью их трёх основных параметров — размера, скорости перемещения и расстояния до объекта. Что позволяет улучшить, темг самым, характеристики системы безопасности промышленного объекта;

4. Результаты исследования диссертационной работы могут послужить основой для развития новых систем по определению параметров движущихся объектов.

Практическая ценность подтверждена актом внедрения результатов диссертации. Программное обеспечение АПК «Nucleus» и АПК «Бастион», в которых были использованы полученные результаты, установлено в нескольких десятках организаций и предприятий Самарской области, Москвы и других регионах России.

На защиту выносятся:

- Результаты анализа методов и систем определения параметров движущихся объектов;

- Математическая модель определения параметров движущихся объектов;

- Пространственно-временной метод и алгоритм адаптивной фильтрации изображений;

- Метод и алгоритм выделения и локализации движущихся объектов на последовательности изображений;

- Результаты экспериментального исследования стереоскопической информационно-измерительной .системы, определения параметров движущихся объектов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы, научные и практические результаты докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технических конференциях, в том числе на XIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2007), XLV Международной научно-практической конференции «Научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы информационной безопасности при противодействии криминалу и терроризму. Теория и практика использования аппаратно-программных средств» (Самара, 2007), Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2007).

Личный вклад. Основные теоретические и практические результаты, содержащиеся в диссертационной работе и публикациях, получены автором самостоятельно и под руководством научного руководителя.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано восемь печатных работ. Список опубликованных работ приведён в заключении.

Структура и краткое содержание диссертации:

Диссертация состоит из основной части и приложения, содержит 168 страниц основного текста; 38 рисунков; список литературы из 89 именований. Основная часть содержит введение, четыре раздела, заключение, список использованных источников. Приложение содержит акт внедрения и свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

В о- введении показана актуальность темы диссертации, дана общая характеристика работы, определены цели и задачи исследования. Приведены структура и краткое содержание диссертации, основные положения, выносимые на защиту.

В первом разделе проводится сравнительный анализ систем и методов определения параметров движущихся объектов; рассматриваются-преимущества и недостатки каждого из методов; на основеч этого формулируются основные технические требования к разрабатываемой информационно-измерительной системе; обосновывается использование телевизионного метода для построения систем определения параметров движущихся объектов; исследуются методы выделения и локализации движущихся объектов на основе обработки последовательности изображений с точки зрения вычислительных затрат; выполняется анализ методов совмещения изображений выделенных объектов на стереопаре.

Во втором разделе разрабатывается математическая модель ОПДО представляющая собой совокупность математической модели адаптивной фильтрации изображения, модели выделения и локализации движущихся объектов для получения множества локализованных областей содержащих динамические объекты; модели определения диспарантности точек изображений движущихся объектов на стереопаре, модели определения пространственных координат точек объектов и модели определения параметров объектов.

В третьем разделе приводится структурная схема разрабатываемой информационно-измерительной системы; на основе созданной математической модели, выделяются основные этапы определения параметров движущихся объектов для разрабатываемой системы, их последовательность и взаимосвязь друг с другом; разрабатываются новые методы и алгоритмы для ОПДО; проводится их экспериментальное исследование; исследуются основные параметры стереоскопической ИИС ОПДО в пространстве.

В четвёртом разделе описываются особенности конструктивного исполнения стереоскопического датчика изображений; выполняется анализ метрологических характеристик разработанной ИИС; приводится оригинальная методика экспериментального исследования стереоскопических систем ОПДО; выполняется экспериментальное исследование разработанной системы в соответствии с предложенной методикой; делаются соответствующие выводы.

В заключении обобщаются результаты проведенного исследования, а также приводится список опубликованных работ.

Подобные работы
Алимбеков Азат Лиерович
Информационно-измерительная система для определения параметров движения объектов с применением алгоритмических способов повышения их точности
Иванов Юрий Владимирович
Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на основе короткопериодных маятников. Теория и проектирование
Орлов Василий Алексеевич
Инерциальные измерительные системы параметров движения объектов на микромеханических датчиках
Миловзоров Дмитрий Георгиевич
Информационно-измерительные системы контроля комплекса угловых параметров пространственной ориентации скважин и скважинных объектов
Мухин Василий Михайлович
Оптическая информационно-измерительная система определения составляющих сложных перемещений подвижных объектов
Хромов Николай Павлович
Информационно-измерительная система определения параметров гололедно-ветровых ситуаций
Чекотило Елена Юрьевна
Параметрическая оптимизация информационно-измерительной системы определения параметров движения изображения подстилающей поверхности
Лихошерст Владимир Владимирович
Микромеханические приборы информационно-измерительных систем определения параметров движения с улучшенными характеристиками
Жеребятьев Константин Викторович
Информационно-измерительная система для определения параметров калибровки манипуляторов универсальных промышленных роботов
Переяслов Вадим Юрьевич
Информационно-измерительная система для определения параметров состояния статоров турбогенераторов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net