«Техническое зрение в системах управления мобильными объектами-2010: Труды научно-технической конференции-семинара» Механика, управление и информатика, № 6, с. 2 (2011)

Настоящий сборник содержит материалы научно-технической конференции-семинара «Техническое зрение в системах управления мобильными объектами», организатором которой является Учреждение Российской академии наук Институт космических исследований РАН. В её подготовке и проведении участвовали специалисты ведущих организаций, отраслевых и академических научно-исследовательских институтов, а также высшей школы. На конференции-семинаре были представлены доклады по основным областям применения технического зрения в системах управления мобильными объектами, а также вопросам разработки таких систем: авиационно-космические приложения систем технического зрения; системы технического зрения в наземных и подводных роботах; программно-аппаратное обеспечение систем технического зрения. В сборник включены пленарные и секционные доклады конференции-семинара. Конференция проходила 16–18 марта 2010 г. в г. Таруса

«Предисловие» Механика, управление и информатика, № 6, с. 5-8 (2011)

Системы технического зрения (СТЗ) в настоящее время являются одним из главных средств развития автоматических систем управления движением в условиях, когда объём априорной информации не достаточен и для решения задач управления необходим анализ внешней обстановки в режиме реального времени. СТЗ находят свое применение в современных космических, авиационных, наземных, надводных и подводных мобильных объектах. Благодаря дальнодействию и достаточно высоким уровням пространственного и цветового разрешения современных линейных и матричных приемников оптического излучения СТЗ могут служить незаменимыми источниками информации.

Визильтер Ю.В., Желтов С.Ю. «Проблемы технического зрения в современных авиационных системах» Механика, управление и информатика, № 6, с. 11-44 (2011)

Статья посвящена основным проблемам построения систем технического зрения в современных и перспективных авиационных системах. Рассмотрены основные типы датчиков, используемых в таких системах, и основные требования, предъявляемые к алгоритмам технического зрения. Описаны задачи и методы обнаружения объектов в сцене наблюдения; анализа изображений на этапе планирования авиационных операций; получения, обработки и комплексирования многоспектральных видеоданных. Отдельно рассмотрен класс систем улучшенного видения для самолётов гражданской авиации. Перечислен ряд теоретических и практических результатов, полученных в ГосНИИАС в области разработки перспективных методов технического зрения.

Костяшкин Л.Н., Бабаев С.И., Логинов А.А., Павлов О.В. «Технологии систем улучшенного/синтезированого зрения для управления летательными аппаратами» Механика, управление и информатика, № 6, с. 45-56 (2011)

Приводится обзор способов интеграции информации от бортовых систем технического зрения летательного аппарата. Рассматриваются вопросы возникновения и компенсации геометрических искажений изображений. Приводятся технологии улучшения и комплексирования теле- и тепловизионных изображений, а также способы совмещения радиолокационных, телетепловизионных изображений и цифровой карты местности. Ключевые слова: системы технического зрения, цифровая карта местности, геометрические искажения, улучшенное изображение, совмещение изображений, корреляционно-экстремальные навигационные системы.

Алпатов Б.А., Бабаян П.В., Костяшкин Л.Н., Романов Ю.Н. «Обработка и анализ изображений в бортовых оптико-электронных системах» Механика, управление и информатика, № 6, с. 57-62 (2011)

Рассмотрены основные задачи обработки и анализа изображений, решаемые в оптико-электронных системах, предназначенных для использования в составе бортового радиоэлектронного оборудования самолётов, вертолётов, судов, наземных транспортных средств. Описаны базовые подходы к решению задач обнаружения и высокоточного сопровождения движущихся и неподвижных объектов, перспективные направления развития информационных технологий в рассматриваемой области. Особое внимание уделено методике принятия решений о выборе алгоритма измерения координат объектов.

Белоглазов И.Н. «Теоретические аспекты и приложения стереоскопических систем навигации, наведения и дистанционного зондирования местности» Механика, управление и информатика, № 6, с. 63-91 (2011)

Исследуются стереоскопические навигационные системы (СтНС), предназначенные для решения задач высокоточной навигации, наведения и дистанционного зондирования местности. Приводится краткое изложение теории совместной оптимальной фильтрации, идентификации и проверки гипотез в дискретной динамической системе специального типа. Предложен комбинированный алгоритм СтНС, основанный на этой теории. Произведена линеаризация фотограмметрических уравнений СтНС в режиме стабилизированного горизонтального полёта летательного аппарата. Синтезирован алгоритм обработки изображений, обеспечивающий максимум апостериорной совместной плотности-вероятности вектора состояния динамической системы, вектора неизвестных параметров и выбранной гипотезы. Получены уравнения, характеризующие точность СтНС при полётах над чистыми ландшафтами и урбанизированной местностью и рассмотрена процедура выбора участков коррекции.

Блохинов Ю.Б., Гнилицкий В.В., Инсаров В.В., Чернявский А.С. «Алгоритм анализа и принятия решения в задаче селекции объектов на изображениях наземных сцен» Механика, управление и информатика, № 6, с. 92-108 (2011)

Одним из подходов к задаче обнаружения объектов на изображениях является сравнение текущего изображения (ТИ) с заранее заданным эталонным изображением объекта (ЭИ). Рассматривается задача сравнения ТИ, полученного с борта летательного аппарата, и ЭИ наземной сцены, причём эталонное изображение задается в виде набора контуров, без учёта яркостей объектов. Предложен алгоритм сопоставления ТИ и ЭИ, основанный на анализе поля направлений градиентов яркости ТИ и нормалей к контурам ЭИ. Также рассматривается иерархическая процедура учёта априорной информации о взаимном расположении объектов на сцене, позволяющая решить задачи локализации объектов сцены и сборки сцены. Алгоритм применяется к набору фотоснимков наземных сцен, содержащих от двух до четырёх объектов. Исследуется точность обнаружения объектов в зависимости от уровней шума. Ключевые слова: селекция объектов, поиск по эталону, сопоставление изображений, контурный эталон, поле градиентов.

Васильев Д.В. «Фрагменты прикладной теории систем технического зрения для беспилотных летательных аппаратов» Механика, управление и информатика, № 6, с. 109-131 (2011)

Дан обзор итогов исследований 1972–2009 гг., выполнявшихся под руководством автора в целях разработки и серийного производства следящих высокоточных систем технического зрения с беспоисковым корреляционным сравнением текущих и эталонных видеосигналов. Выделены центральные результаты и методологические приёмы, облегчающие проектирование систем для прецизионного оперативного ориентирования. В необходимой теории задачи корреляционного сравнения сигналов разделены на прямые и обратные. В первых из него извлекают необратимое «пороговое» решение в пользу одного из дискретного множества сигналов, используя корреляции как меры сходства претендента с образцом. Решения задач второго вида обеспечивают непрерывное измерение сдвигов между сигналами близкой формы. Поэтому в дополнение к корреляциям с чётной симметрией относительно нулевого сдвига определён класс «ортокорреляционных» функций (ОКФ) с нечётной симметрией, пригодных на роль меры различия сигналов из-за одномерного сдвига, имеющего недискретизованное множество значений. Рассмотрена линейная процедура оценивания вектора сдвигов финитных сигналов, порождающая беспоисковые алгоритмы, которые опираются на «взвешивающую» фильтрацию покадровых изображений. Содержание увязано со структурой систем технического зрения (СТЗ), где корреляционные дискриминаторы сдвигов измеряют ошибки слежения. Ключевые слова: поле ориентиров, проективные сдвиги, обобщенная корреляция, взвешенная ортокорреляция, беспоисковое корреляционное слежение, автозахват, субпиксельная точность ориентирования.

Блажевич С.В., Винтаев В.Н., Ушакова Н.Н. «Автоматическое выделение и сопровождение псевдоточечных мерцающих объектов в реальном времени – модель фоноцелевой обстановки, алгоритм работы бортового процессора и технические решения по процессору» Механика, управление и информатика, № 6, с. 132-139 (2011)

Представлены компьютерная модель фоноцелевой обстановки и программа, реализующая алгоритм непрерывного сопровождения движущегося мерцающего точечного объекта с вычислением картинных координат X и Y отслеживаемого объекта и выдачей прогноза поведения объекта на несколько шагов вперед. Модель демонстрирует высокую эффективность сопровождения цели на фоне интенсивной шумовой составляющей, имеющей статистические характеристики, практически совпадающие с характеристиками объекта, и возможность сопровождения до 1000 целей в секунду при использовании бортового процессора, построенного согласно этой модели. Ключевые слова: автоматическое сопровождение, удаленные объекты, прогноз, бортовой процессор.

Соколов С.М., Богуславский А.А. «Система информационного обеспечения задач сближения, стыковки, посадки космического аппарата на основе компьютерного видения» Механика, управление и информатика, № 6, с. 140-156 (2011)

Описывается программный комплекс автоматического визуального мониторинга процесса сближения и стыковки космических аппаратов. Исходной информацией служит видеосигнал, идущий от телекамеры на одном из аппаратов. Получаемая последовательность кадров обрабатывается в реальном времени. В каждом кадре выделяются детали стыковочных узлов, размеры которых и геометрические параметры взаимного расположения используются как первичные измерения. По этим измерениям восстанавливается относительное движение космических аппаратов. Приводятся примеры обработки реальных видеоданных, полученных в процессе сближения и стыковки космических кораблей с международной космической станцией. Обсуждается возможность использования этого же комплекса для других задач информационного обеспечения целенаправленных перемещений космических аппаратов, в частности, посадки, на основе вычисления оптического потока. Ключевые слова: компьютерное зрение, относительное движение, зрительная система реального времени, оптический поток, сближение, стыковка и посадка космических аппаратов.

Аванесов Г.А., Жуков Б.С., Краснопевцева Е.Б., Форш А.А. «Задачи бортовой обработки информации телевизионной системы навигации и наблюдения при посадке на Фобос» Механика, управление и информатика, № 6, с. 157-165 (2011)

Телевизионная система навигации и наблюдения (ТСНН) разработана для орбитальных съёмок Фобоса и Марса в навигационных и научных целях, а также для информационной поддержки посадки на Фобос. В состав ТСНН входят две узкоугольные камеры с фокусным расстоянием 500 мм и две широкоугольные камеры с фокусным расстоянием 18 мм. Процессоры камер позволяют проводить обработку получаемых изображений в реальном времени. При посадке на Фобос с помощью ТСНН будут проводиться автономный выбор места посадки, а также резервные измерения высоты и скорости КА. Программно-алгоритмическое обеспечение ТСНН в режиме «Посадка» oтлажено с использованием изображений Фобоса, Луны и шероховатых поверхностей со структурой, сходной со структурой поверхности Фобоса. Ключевые слова: Фобос, миссия ФОБОС-ГРУНТ, телевизионная система навигации и наблюдения, бортовая обработка информации

Гришин В.А. «Анализ влияния динамики космического аппарата на характеристики алгоритмов обработки изображений системы технического зрения проекта ФОБОС-ГРУНТ» Механика, управление и информатика, № 6, с. 166-178 (2011)

Рассматриваются методика и результаты отработки алгоритмов слежения и прогноза системы технического зрения для проекта ФОБОС-ГРУНТ. Отработка производилась с использованием расчётных баллистических данных процесса посадки и модели поверхности Фобоса. Ключевые слова: посадка космических аппаратов, системы технического зрения, динамика космического аппарата, алгоритмы измерения и прогноза.

Веселов Ю.Г., Карпиков И.В. «К вопросу оценки корреляционных характеристик шума цифровых оптико-электронных систем видимого диапазона» Механика, управление и информатика, № 6, с. 179-188 (2011)

Детально проанализированы корреляционные характеристики шума цифровых оптико-электронных систем видимого диапазона. Получены экспериментальные зависимости значений радиуса корреляции шума от условий съёмки и параметров аппаратуры наблюдения в лётных условиях. Ключевые слова: цифровые фотоаппараты; статистические характеристики шума; автокорреляционная функция; площадь корреляции; радиус корреляции.

Михайлов Б.Б. «Техническое зрение мобильных роботов» Механика, управление и информатика, № 6, с. 191-201 (2011)

Рассматриваются три системы технического зрения, которые обеспечивают управление движением мобильного робота в условиях недетерминированной среды. Ключевые слова: мобильные роботы, техническое зрение, системы управления, очувствление, видеокамеры, объёмное зрение, построение маршрута, навигация робота, корреляционная функция.

Выголов О.В., Желтов С.Ю., Визильтер Ю.В. «Обнаружение препятствий перед наземным мобильным объектом в бортовой системе технического стереозрения реального времени» Механика, управление и информатика, № 6, с. 202-215 (2011)

Предложен вычислительно эффективный метод обнаружения трёхмерных объектов на относительно гладкой поверхности по стереоскопическим изображениям сцены, получаемым с двух видеокамер наземного мобильного объекта. Суть метода заключается в том, что с построением в полярной системе координат ортогональных проекций стереоизображений на подстилающую поверхность задача обнаружения трёхмерных объектов сводится к более простой задаче обнаружения на синтезированных изображениях яркостно-геометрической структуры известной формы – совокупности вертикальных границ контрастности. Вертикальность границ позволяет организовать поиск этой структуры на основе «быстрых», аппаратно поддерживаемых процедур обработки изображений, таких как свёртка изображения с прямоугольной маской и вычисление интегральных проекций яркости изображения в вертикальном и горизонтальном направлениях. Практическая применимость метода показана на примере создания бортовой системы технического стереозрения реального времени для обнаружения препятствий перед транспортным средством при его движении по скоростным автомагистралям. Ключевые слова: обнаружение препятствий, стереозрение, реальное время, ортофото.

Овчинников А.М., Платонов А.К. «Гиперспектральная система зрения для мобильных роботов» Механика, управление и информатика, № 6, с. 216-229 (2011)

Описывается макетный образец гиперспектрометра, разработанный для исследования особенностей характеристик гиперспектральных сигналов, получаемых при наблюдении близко расположенных объектов. Такие исследования необходимы при создании сенсоров пространственно-спектральных характеристик окружения мобильных роботов или других распознающих мехатронных автоматов. Приводится модель гиперспектра, получаемого при наблюдении близких объектов, которая позволяет учесть влияние дисторсионных явлений в оптическом канале гиперспектрометра, заметно отличающих «локальный гиперспектр» от гиперспектральных данных, получаемых при дистанционном зондировании объектов Земли с самолётов и спутников. Описываются результаты исследования достижимых характеристик локального гиперспектрометра и экспериментов спектрального анализа объектов в его ближайшем окружении.

Артюхов М.Ю., Кропотов А.Н., Макашов А.А., Сахарова Е.И. «Опыт создания системы локальной видеонавигации для подводных аппаратов» Механика, управление и информатика, № 6, с. 230-242 (2011)

Рассмотрены вопросы реализации системы локальной видеонавигации и динамического позиционирования, описаны алгоритмы её построения с использованием стереопары. Приводится алгоритм выделения на изображении кольцевого маркера, определения его метрических координат. Рассматривается возможность динамического позиционирования аппарата над объектом работ и автоматизированная посадка подводного аппарата по этим показаниям. Ключевые слова: локальная навигация, обработка видеоизображения, распознавание образов, системы технического зрения, динамическое позиционирование, подводный аппарат, склейка кадров, перспективное преобразование.

Жданов А.А. «Биологически инспирированное техническое зрение в системах автономного искусственного интеллекта» Механика, управление и информатика, № 6, с. 245-267 (2011)

Представлены авторская биологически инспирированная концепция построения систем автономного адаптивного управления (ААУ), её основные положения и способы построения систем управления для прикладных объектов. Более подробно рассматриваются подсистемы «технического зрения», обеспечивающие восприятие входной информации и играющие роль самообучаемых систем распознавания образов. Особое внимание уделяется способам построения таких систем на базе специально для систем ААУ разработанных самообучаемых моделей нейронов и сетей из таких нейронов. Акцентируется внимание на том, что система восприятия входной информации у автономных роботов должна быть адекватной их системе принятия решений и совсем не обязательно должна копировать систему восприятия человека. Представлены некоторые примеры автономных роботов с адаптивными системами управления. В заключение говорится о возможных перспективах и направлениях развития данного подхода к построению систем автономного искусственного интеллекта.

Кий К.И. «Автоматическая система реального времени для обнаружения объектов и ориентиров на изображении, основанная на обработке цветных изображений» Механика, управление и информатика, № 6, с. 268-276 (2011)

Кратко излагается новый подход к качественному и количественному описанию цветных изображений и выделению объектов на изображениях, которые могут представлять интерес при решении различных практических задач. Проводится также анализ существующих методов для решения указанных задач и сравнение с предложенным методом. Приводятся примеры применения к задаче поиска ориентиров на изображениях и демонстрируются результаты обработки. Описываются параметры программной системы, разработанной на основе предложенного подхода. Ключевые слова: компьютерное зрение, понимание изображений, сегментация изображений, зрение роботов.

Стрельников К.Н. «Использование особенностей современного представления цифровых видеоданых для оптимизации алгоритмов обработки» Механика, управление и информатика, № 6, с. 277-281 (2011)

Предлагается быстрый алгоритм обнаружения объектов с помощью поворотной IP-камеры. Высокая скорость достигается благодаря новому подходу к оптимизации обработки кодированного видеопотока с использованием служебной информации кодека

Пытьев Ю.П., Чуличков А.И. «Морфологические методы анализа сцен по их изображениям» Механика, управление и информатика, № 6, с. 282-290 (2011)

Морфологические методы анализа изображений предназначены для решения задач узнавания и классификации объектов, выделения отличий в сценах, оценки параметров сцен по их изображениям, полученным при неконтролируемых и неизвестных условиях. В статье вводится понятие сравнения изображения по форме, дается определение формы изображения как инварианта преобразований изображения, отвечающих изменениям условий их регистрации. Приводятся методы решения ряда задач.

Ланге М.М., Новиков Н.А. «Сегментация изображений на основе описаний кластеров структурированными гауссовыми смесями» Механика, управление и информатика, № 6, с. 291-302 (2011)

Предложен подход к решению задачи сегментации изображений с использованием древовидно-структурированных описаний кластеров гауссовыми смесями в многомерном пространстве признаков. Рассмотрены модификации таких описаний, строящиеся на основе оптимизации деревьев с помощью процедуры скользящего контроля. С использованием древовидных представлений кластеров сформулирован алгоритм сегментации в форме байесовской процедуры классификации по критерию максимума апостериорной вероятности. В экспериментах с аэрокосмическими изображениями разработанный алгоритм сегментации продемонстрировал существенно меньшее число отказов по сравнению с традиционным алгоритмом, использующим гистограмму. Сравнительные оценки затрат памяти демонстрируют выигрыш предложенного алгоритма относительно традиционного в 50 и более раз, в зависимости от модификаций применяемых древовидных структур.

Корнилов Ф.А., Костоусов В.Б., Перевалов Д.С. «Быстрые алгоритмы анализа изображений со структурными искажениями» Механика, управление и информатика, № 6, с. 303-309 (2011)

Предлагаются и исследуются новые эффективные алгоритмы поиска по эталону и поиска изменений на изображениях, применимые для анализа изображений реальных сцен в случае наличия структурных искажений интересующих объектов.

Домунян А.А. «Программно-аппаратная реализация кортексного сканера» Механика, управление и информатика, № 6, с. 310-316 (2011)

Рассматривается задача создания кортексного сканера, являющегося универсальным аппаратным средством выделения признаков на этапе предварительной обработки изображений для последующего использования признаков при распознавании изображений. Работа кортексного сканера моделирует процессы обработки информации, происходящие в первичной зрительной области коры головного мозга. Рассмотрены также аппаратные аспекты создания такого устройства, основанного на программируемых логических интегральных схемах, получающих информацию от микрокамер. Ключевые слова: искусственный нейронный кортекс, кортексный сканер, распознавание образов, искусственный интеллект.

Бахшиян Б.Ц., Назиров Р.Р., Федяев К.С. «Точность оценивания координат реперных знаков на неподвижной цели по измерениям бортового оптического датчика» Механика, управление и информатика, № 6, с. 317-327 (2011)

Излагается способ оценивания точности определения координат реперных знаков, расположенных на неподвижной цели, по результатам их наблюдений с помощью бортового оптического датчика. Точность оценивается при различных предположениях о коррелированности измерений координат каждого из реперных знаков. Рассматриваются следующие случаи: а) измерения некоррелированны; б) информация о корреляционной матрице отсутствует; в) существуют несколько групп измерений, причём измерения в различных группах некоррелированны, а внутри каждой группы возможна произвольная корреляция. Рассматривается также задача нахождения наилучшего по точности плана измерений при условии произвольной коррелированности измерений. Приводятся результаты практических расчётов.