УДК 004.02 + 004.422
СПЕЦИАЛЬНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ БЕСКОНТАКТНОГО ДИНАМИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ МОДЕЛЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА РАДИОЛОКАЦИОННОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ СТЕНДЕ
В данной работе рассматриваются особенности реализации специального программного обеспечения подсистемы бесконтактного динамического контроля параметров движения объектов при проведении радиолокационных измерений в полевых условиях.
При проведении измерений радиолокационных характеристик летательных аппаратов в конструкции измерительного стенда используют опорно-поворотные устройства двух типов: с использованием малоотражающей опоры или с использованием системы подвесов. В последнем случае актуальной проблемой является точное определение смещений и углов локации исследуемых объектов ввиду неравномерности их движения.
Известные способы определения пространственного положения объектов по средствам использования активных датчиков не подходят для решения данной задачи, так как вносят конструктивные изменения в летательный аппарат и могут повлиять на его радиолокационные характеристики. Другие способы, использующие наборы пассивных датчиков, такие как, например, ультразвуковые сонары, обладают высокой точностью лишь в малом диапазоне дальностей от объекта локации, что не исключает при их использовании попадания в строб локации конструкций измерительного стенда. Высокую точность позиционирования на значительном удалении от исследуемого объекта могут гарантировать методы обработки видеосигналов, поступающих от систем видеонаблюдения. В условиях переменной освещенности, характерных для стендовых испытаний, существующие оптические методы не обеспечивают необходимую точность измерения.
Целью данной работы является измерение положения исследуемого объекта бесконтактным способом без использования активных датчиков при сильной боковой засветке с заданной точностью.
Основной задачей в рамках данной работы является разработка специального программного обеспечения подсистемы бесконтактного динамического контроля параметров движения моделей летательных аппаратов, позволяющего позиционировать объект локации по имеющимся видеоданным его смещений на основе алгоритма вычисления оптического потока.
Специальное программное обеспечение подсистемы бесконтактного динамического контроля параметров движения моделей (СПО БДК) предназначено для обработки видеоинформации с целью измерения положения объекта путем слежения за его смещениями в пространстве. СПО БДК позволяет отслеживать перемещения (продольные и поперечные) и угловое положение объекта (угол между осью локации и осью объекта) с высокой точностью. Полученные данные отображаются в кадрах видеопотока и выдаются в табличном виде в файл.
СПО БДК было реализовано в виде программного модуля, написанного на языке С++. В состав модуля входят две подсистемы: система расчета положений и система калибровки.
Задачей подсистемы калибровки является расчет внутренних и внешних параметров камеры. Данные параметры используются системой расчета положений для устранения перспективных искажений и дисторсии в кадрах видеопотока. Расчет параметров калибровки производится по набору кадров с изображением калибровочной доски, предварительно сформированных системой координатной привязки (СКП). Набор кадров отражает различные положения калибровочной доски в зоне обзора видеокамеры. Сам алгоритм калибровки реализован по методу Чанга[1].
Система расчета положений представляет собой алгоритм конвейерного типа. Она использует технологию высокопроизводительных вычислений на графических процессорах NVIDIA CUDA, что позволяет СПО БДК обрабатывать видеоинформацию как в режиме реального времени, так и в автономном режиме, считывая сохраненный видеопоток из файла.
Метод вычисления основывается на алгоритме расчета оптического потока Лукаса-Канадэ[2] и позволяет следить за перемещением точечных особенностей изображения между последовательными кадрами одного видеоряда. Алгоритм Лукаса-Канаде был выбран ввиду его меньшей чувствительности к шуму на изображениях и изменению интенсивности освещения по сравнению с поточечными методами расчета оптического потока. Однако данный алгоритм не может определять направление движения внутри однородных областей. Для создания искусственных неоднородных областей, а также обозначения оси на объект локации крепят два плоских квадроцентрических маркера. Центры маркеров задают точечные особенности для подсистемы слежения.
Процедура детектирования углов необходима для предотвращения срыва слежения за опорными точками, а также приведения вычисленных значений к субпиксельной точности. Она заключается в применении алгоритма поиска угла Ши-Томази[3] в окрестности реперной точки.
Подпрограмма расстановки реперных точек может иметь 2 режима работы: ручной и автоматический. В ручном режиме положение реперных точек задается оператором в пиксельных координатах. В автоматическом режиме при работе СПО БДК в автономном режиме подпрограмма осуществляет поиск маркеров по шаблону с помощью алгоритма SIFT[4].
Подсистема отрисовки осуществляет отображение предварительных расчетов в кадре и отдает полученное изображение СПО СКП.
Подсистема фильтрации осуществляет обработку вычисленных значений методом скользящего окна, а также расчет смещений геометрического центра объекта относительно его математического ожидания, задающего центр вращения объекта.
По результатам проведенных экспериментов точность определения углового положения объекта СПО БДК в составе системы СКП составила ≈2 минуты, а смещений ≈1,5 мм. Данные, полученные в результате расчета СПО БДК, использовались для улучшения построения радиолокационных портретов.
Таким образом, разработанное специальное программное обеспечение подсистемы бесконтактного динамического контроля параметров движения моделей летательных аппаратов позволяет измерять положения объекта бесконтактным способом без использования активных датчиков при сильной боковой засветке с точностью: для угла поворота ≈2 минуты, а для смещений ≈1,5 мм. Кроме того, производительность СПО БДК была увеличена в 1,7 раза за счет применения технологии CUDA, что позволило функционировать системе как в реальном времени, так и в автономном режиме.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Z. Zhang "A flexible new technique for camera calibration". IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11):1330-1334, 2000 , Цифровая обработка видеоизображений. М.: «Ай-Эс-Эс Пресс», 2009. 518 с. J. Shi, C. Tomasi "Good Features to Track". 9th IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. Springer. June 1994. Фотограмметрия: Учебник для вузов. М., Недра, 1984. 450 с.