CC BY
1
СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ
УДК 629.052.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-10-11
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК АЛГОРИТМА КЛАСТЕРИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ ЦВЕТНЫХ ОПТИЧЕСКИХ КОРРЕЛЯЦИОННО-ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИСТЕМ НАВИГАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЙ СЪЕМКИ
К.А. Безрукова, Е.В. Шевцова, В.В. Щербинин
Представлены результаты исследований алгоритма кластеризации изображений цветных оптических корреляционно-экстремальных систем навигации летательных аппаратов для различных условий. Приведены данные по апробации предложенного алгоритма на тестовых изображениях, сделанных при различном освещении и с использованием различных фотоаппаратов.
Ключевые слова: корреляционно-экстремальные авиационные системы навигации, цветные изображения, информативный параметр, кластер.
Современные высокоточные системы навигации летательных аппаратов (ЛА) базируются на комплексировании бесплатформенных инерци-альных навигационных систем (ИНС/БИНС) с системами спутниковой коррекции или с системами навигации по геофизическим полям (ГФП) Земли (корреляционно-экстремальными системами) [1]. Корреляционно-экстремальные системы [2, 3] осуществляют периодическое определение местоположения ЛА в местной системе координат путем сравнения эталонного изображения (ЭИ), которое сформировано заранее по исходной видеоинформации (например, аэро- или космический фотоснимок), с текущим изображением (ТИ), формируемым в полете ЛА. В этом заключается большое преимущество системы навигации по геофизическим полям (ГФП) - они вычисляют местоположение ЛА относительно реальной поверхности Земли, а не относительно ее математической модели, которая используется в инерциальных и спутниковых системах навигации, и обес-
печивают высокие точностные характеристики в местной системе координат. Кроме того, они являются практически абсолютно помехозащищен-ными и автономными.
В предыдущей статье [4] были предложены алгоритм кластеризации цветных изображений оптических корреляционно-экстремальных систем навигации (КЭСН) ЛА и результаты первичной апробации предложенного алгоритма на двух тестовых изображениях, в качестве которых были выбраны шкала для цветокоррекции Datacolor SpyderCHECK (рис. 1, а) и матрица, элементы которой закрашены масляными красками типа "АВРОРА" (рис. 1, б). Фотографирование было проведено на телефон модели Samsung Galaxy S9 Plus.
Рис. 1. Тестовые изображения: а - шкала для цветокоррекции Datacolor SpyderCHECK; б - матрица с элементами, закрашенными масляными
красками
По результатам обработки данных изображений были выделены для каждого элемента кластеры в виде усеченного конуса, а также определены их размеры и расположение в пространстве RGB.
Анализ данных, полученных после первичной апробации разработанного алгоритма кластеризации изображений цветных оптических корреляционно-экстремальных систем навигации ЛА на двух тестовых изображениях показал, что:
кластеры в принятой форме усеченного конуса являются устойчивыми элементами в пространстве RGB по своим размерам;
предложенный алгоритм позволяет распределить более 90 % пикселей изображения по соответствующим кластерам.
В настоящей статье предложены данные по дальнейшей апробации разработанного алгоритма, а именно определение влияния оптического канала фотоприемника, освещения, при котором были сделаны снимки (рис. 2), и фона, на котором было проведено фотографирование, на расположение и размеры кластеров.
а б в г д
е ж з и
Рис. 2. Изображения для анализа: а, б, в - фотоснимки, сделанные
на телефон модели Samsung Galaxy S9 Plus при трех вариантах освещения соответственно - на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете; г, д, е - фотоснимки, сделанные на камеру Sony Mini при трех вариантах освещения соответственно -на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете;
ж, з, и - фотоснимки, сделанные на профессиональную камеру при трех вариантах освещения соответственно - на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете
В качестве наборов изображений для сравнения параметров кластеров были выбраны:
три изображения, сфотографированные на телефон модели Samsung Galaxy S9 Plus при трех вариантах освещения: на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете;
три изображения, сфотографированные на камеру Sony Mini при трех вариантах освещения: на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете;
три изображения, сфотографированные на профессиональную камеру при трех вариантах освещения: на темном столе при искусственном свете, на светлом столе при искусственном свете, на светлом столе при естественном свете;
три изображения, сделанные на телефон модели Samsung Galaxy S9 Plus, камеру Sony Mini и профессиональную камеру на светлом столе при искусственном свете.
В качестве базиса для сравнения параметров кластеров для первых трех наборов было выбрано изображение, сделанное на соответствующий фотоаппарат на светлом столе при искусственном освещении, в качестве базиса для сравнения параметров кластеров для последнего набора изображений было выбрано изображение, сделанное при искусственном освещении на светлом столе с использованием камеры Sony Mini.
В табл. 1 - 4 представлены сравнительные результаты: N' - число пикселей, принадлежащих данному кластеру; L - длина кластера; V - объем кластера; N' - число пикселей, принадлежащих данному кластеру; pr -процент выделяемой части от всего изображения при выделении данного кластера; Cx,Cy - углы порота центральной линии кластера в пространстве RGB; Lsr - средняя высота конуса, содержащего данный кластер. В столбцах 6, 7 показаны изменения соответствующих параметров в процентах, кроме параметров Cx,Cy, изменения которых указаны в углах.
Таблица 1
Параметры кластеров в пространстве и их сравнение _для первого набора изображений_
Телефон Samsung Galaxy S9 Plus Базис - светлый стол (искусственное освещение)
Номер кластера Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.) Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.)
1 2 3 4 5 6 7 8
L 6 10 9 L -40 % -10 %
V 1600 1900 2000 V -16 % 5 %
N' 1044 1075 1091 N' -3 % 1 %
1,1 pr 3,25 3,34 3,40 pr -3 % 2 %
Cx 5 7 5 Cx -2 -2
Cy 50 51 53 Cy -1 2
L sr 263 220 239,5 L sr 20 % 9 %
L 10 10 12 L 0 % 20 %
V 2600 2600 2900 V 0 % 12 %
N' 964 1075 1087 N' -10 % 1 %
1,2 pr 3,00 3,34 3,39 pr -10 % 1 %
Cx 58 59 59 Cx -1 0
Cy 20 22 22 Cy -2 -2
L sr 263 260 252 L sr 1 % -3 %
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8
1,3 L 18 6 16 L 200 % 167 %
V 5300 1800 4400 V 194 % 144 %
^ 1031 1074 1094 ^ -4 % 2 %
pr 3,21 3,33 3,41 pr -4 % 2 %
Cx 20 22 22 Cx -2 0
Cy 41 42 42 Cy -1 0
L sr 277 283 269 L sr -2 % -5 %
2,1 L 16 15 5 L 7 % -67 %
V 4600 4500 1500 V 2 % -67 %
^ 1121 1099 1063 ^ 2 % -3 %
pr 3,49 3,41 3,31 pr 2 % -3 %
Cx 49 49 47 Cx 0 -2
Cy 57 58 57 Cy -1 -1
L sr 274 278,5 283,5 L sr -2 % 2 %
2,2 L 11 12 10 L -8 % -17 %
V 2800 2200 1800 V 27 % -18 %
N, 1152 1096 1101 ^ 5 % 0 %
pr 3,59 3,40 3,43 pr 5 % 1 %
Cx 21 22 17 Cx -1 -5
Cy 57 58 62 Cy -1 4
L sr 256,5 217 216 L sr 18 % 0 %
2,3 L 27 11 18 L 145 % 64 %
V 8300 3300 4700 V 152 % 42 %
^ 1119 1090 1123 ^ 3 % 3 %
pr 3,48 3,39 3,50 pr 3 % 3 %
Cx 32 33 30 Cx -1 -3
Cy 50 51 53 Cy -1 2
L sr 283,5 278,5 260 L sr 2 % -7 %
3,1 L 15 8 5 L 88 % -38 %
V 4600 2900 1700 V 59 % -41 %
N, 1026 1088 1080 ^ -6 % -1 %
pr 3,19 3,38 3,36 pr -5 % 0 %
Cx 49 49 49 Cx 0 0
Cy 13 14 4 Cy -1 -10
L sr 282,5 308 301,5 L sr -8 % -2 %
3,2 L 17 10 10 L 70 % 0 %
V 4600 2800 2500 V 64 % -11 %
N, 1112 1082 1114 ^ 3 % 3 %
pr 3,46 3,36 3,47 pr 3 % 3 %
Cx 55 59 55 Cx -1 -1
Cy 47 48 46 Cy -1 -2
L sr 267,5 268 258 L sr 0 % -4 %
3,3 L 19 6 19 L 217 % 217 %
V 3100 600 1400 V 417 % 133 %
^ 1149 1085 1169 N, 6 % 8 %
pr 3,58 3,37 3,64 pr 6 % 8 %
Cx 34 35 33 Cx -1 -2
Cy 29 29 27 Cy 0 -2
L sr 206,5 156 136,5 L sr 32 % -13 %
Продолжение табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8
4,1 L 10 11 5 L -9 % -55 %
V 2100 2000 1000 V 5 % -50 %
^ 1102 1122 1068 ^ -2 % -5 %
pr 3,43 3,48 3,33 pr -2 % -4 %
Cx 66 68 66 Cx -2 -2
Cy 54 56 47 Cy -2 -9
L sr 234 218,5 227,5 L sr 7 % 4 %
4,2 L 21 21 17 L 0 % -19 %
V 3100 2100 1900 V 48 % -10 %
N, 936 1078 1142 ^ -13 % 6 %
pr 2,91 3,35 3,56 pr -13 % 6 %
Cx 41 41 38 Cx 0 -3
Cy 58 59 62 Cy -1 3
L sr 195,5 160,5 171,5 L sr 22 % 7 %
4,3 L 30 17 21 L 76 % 24 %
V 9200 3400 3700 V 171 % 9 %
N, 1152 1144 1160 ^ 1 % 1 %
pr 3,59 3,55 3,61 pr 1 % 2 %
Cx 25 26 20 Cx -1 -6
Cy 49 50 54 Cy -1 4
L sr 283 228,5 215,5 L sr 24 % -6 %
5,1 L 10 9 11 L 11 % 22 %
V 1400 800 1300 V 75 % 63 %
^ 1116 1118 1200 ^ 0 % 7 %
pr 3,47 3,47 3,74 pr 0 % 8 %
Cx 13 14 18 Cx -1 4
Cy 21 21 20 Cy 0 -1
L sr 187 156,5 172,5 L sr 19 % 10 %
5,2 L 7 10 14 L -30 % 40 %
V 1900 2100 3100 V -10 % 48 %
N, 844 1181 1181 ^ -29 % 0 %
pr 2,60 3,67 3,68 pr -29 % 0 %
Cx 37 39 39 Cx -2 0
Cy 14 16 11 Cy -2 -5
L sr 265,5 235 242 L sr 13 % 3 %
5,3 L 20 15 24 L 33 % 60 %
V 6000 4600 6600 V 30 % 43 %
^ 1136 1188 1221 ^ -4 % 3 %
pr 3,54 3,69 3,80 pr -4 % 3 %
Cx 46 46 45 Cx 0 -1
Cy 40 42 41 Cy -2 -1
L sr 279 281,5 267 L sr -1 % -5 %
6,1 L 18 15 16 L 20 % 7 %
V 2600 1200 1700 V 117 % 42 %
N, 1140 1141 1181 ^ 0 % 4 %
pr 3,55 3,54 3,68 pr 0 % 4 %
Cx 13 13 9 Cx 0 -4
Cy 66 69 72 Cy -3 3
L sr 195 142,5 165 L sr 37 % 16 %
Окончание табл. 1
1 2 3 4 5 6 7 8
L 11 9 17 L 22 % 89 %
V 3000 2300 4400 V 30 % 91 %
N' 1109 1141 1143 N' -3 % 0 %
6,2 pr 3,45 3,54 3,56 pr -3 % 0 %
Cx 54 56 56 Cx -2 0
Cy 14 15 8 Cy -1 -7
L sr 263,5 258,5 258,5 L sr 2 % 0 %
L 19 16 18 L 19 % 13 %
V 2783 1100 900 V 153 % -18 %
N' 816 1041 1149 N' -22 % 10 %
6,3 pr 2,54 3,23 3,58 pr -21 % 11 %
Cx 50 55 56 Cx -5 1
Cy 37 37 36 Cy 0 -1
L sr 195,5 132 116 L sr 48 % -12 %
L 98 70 73 L 40 % 4 %
V 7550 2800 3200 V 170 % 14 %
N' 8306 7812 8041 N' 6 % 3 %
7,1 pr 25,85 24,25 25,04 pr 7 % 3 %
Cx 35 36 31 Cx -1 -5
Cy 43 44 48 Cy -1 4
L sr 139 100 105,5 L sr 39 % 5 %
Таблица 2 Параметры кластеров в пространстве и их сравнение для второго набора изображений
Камера Sony Mini Базис - светлый стол (искусственное освещение)
Номер кластера Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.) Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.)
1 2 3 4 5 6 7 8
L 26 12 8 L 117 % -33 %
V 7400 2500 1000 V 196 % -60 %
N' 982 976 1134 N' 1 % 16 %
1,1 pr 3,05 3,02 3,30 pr 1 % 9 %
Cx 7 6 5 Cx 1 -1
Cy 52 54 55 Cy -2 1
L sr 272 232 179 L sr 17 % -23 %
L 8 8 9 L 0 % 13 %
V 2600 2100 1100 V 24 % -48 %
N' 940 979 1129 N' -4 % 15 %
1,2 pr 2,92 3,03 3,28 pr -4 % 8 %
Cx 58 59 63 Cx -1 4
Cy 12 14 17 Cy -2 3
L sr 289 262 181,5 L sr 10 % -31 %
Продолжение табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8
1,3 L 23 8 6 L 188 % -25 %
V 8900 2400 1000 V 271 % -58 %
^ 1072 986 1092 ^ 9 % 11 %
pr 3,33 3,05 3,18 pr 9 % 4 %
Cx 24 23 16 Cx 1 -7
Cy 41 41 43 Cy 0 2
L sr 318,5 282 208 L sr 13 % -26 %
2,1 L 26 6 7 L 333 % 17 %
V 8800 1700 1000 V 418 % -41 %
N, 1075 968 1120 ^ 11 % 16 %
pr 3,33 3,00 3,26 pr 11 % 9 %
Cx 47 48 51 Cx -1 3
Cy 56 57 64 Cy -1 7
L sr 298 268 193,5 L sr 11 % -28 %
2,2 L 12 8 8 L 50 % 0 %
V 2400 1400 700 V 71 % -50 %
^ 996 978 1132 ^ 2 % 16 %
pr 3,09 3,03 3,30 pr 2 % 9 %
Cx 10 11 8 Cx -1 -3
Cy 62 63 67 Cy -1 4
L sr 230 215 156 L sr 7 % -27 %
2,3 L 25 7 10 L 257 % 43 %
V 8900 1900 1400 V 368 % -26 %
N, 1070 992 1170 ^ 8 % 18 %
pr 3,32 3,07 3,41 pr 8 % 11 %
Cx 31 30 25 Cx 1 -5
Cy 51 53 56 Cy -2 3
L sr 305,5 266,5 192 L sr 15 % -28 %
3,1 L 14 10 8 L 40 % -20 %
V 6300 3700 1600 V 70 % -57 %
^ 1026 1039 1126 ^ -1 % 8 %
pr 3,18 3,22 3,28 pr -1 % 2 %
Cx 47 48 49 Cx -1 1
Cy 0 0 6 Cy 0 6
L sr 343 311 226 L sr 10 % -27 %
3,2 L 9 11 9 L -18 % -18 %
V 2500 2600 1000 V -4 % -62 %
N, 1018 1036 1125 ^ -2 % 9 %
pr 3,16 3,21 3,27 pr -2 % 2 %
Cx 58 57 65 Cx 1 8
Cy 42 44 51 Cy -2 7
L sr 268,5 249,5 169,5 L sr 8 % -32 %
3,3 L 22 10 9 L 120 % -10 %
V 2600 800 200 V 225 % -75 %
N, 760 940 937 N, -19 % 0 %
pr 2,36 2,91 2,73 pr -19 % -6 %
Cx 34 34 29 Cx 0 -5
Cy 21 22 23 Cy -1 1
L sr 174 144 83,5 L sr 21 % -42 %
Продолжение табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8
4,1 L 23 13 6 L 77 % -54 %
V 5800 2000 500 V 190 % -75 %
^ 692 947 908 ^ -27 % -4 %
pr 2,15 2,93 2,64 pr -27 % -10 %
Cx 64 71 77 Cx -7 6
Cy 41 41 50 Cy 0 9
L sr 256,5 199,5 142 L sr 29 % -29 %
4,2 L 13 15 14 L -13 % -7 %
V 1400 1300 400 V 8 % -69 %
^ 1027 1036 960 ^ -1 % -7 %
pr 3,19 3,21 2,79 pr -1 % -13 %
Cx 36 35 32 Cx 1 -3
Cy 60 61 70 Cy -1 9
L sr 169,5 149,5 89 L sr 13 % -40 %
4,3 L 28 15 10 L 87 % -33 %
V 7800 2700 900 V 189 % -67 %
N, 1087 1075 1140 ^ 1 % 6 %
pr 3,35 3,33 3,32 pr 1 % 0 %
Cx 24 22 15 Cx 2 -7
Cy 52 53 57 Cy -1 4
L sr 270 217,5 156 L sr 24 % -28 %
5,1 L 22 9 7 L 144 % -22 %
V 3900 700 300 V 457 % -57 %
N, 756 944 1053 ^ -20 % 12 %
pr 2,35 2,92 3,07 pr -20 % 5 %
Cx 20 13 7 Cx 7 -6
Cy 21 12 17 Cy 9 5
L sr 216 146,5 109,5 L sr 47 % -25 %
5,2 L 12 11 10 L 9 % -9 %
V 3600 2200 1000 V 64 % -55 %
^ 806 929 1123 ^ -13 % 21 %
pr 2,50 2,88 3,27 pr -13 % 14 %
Cx 39 38 35 Cx 1 -3
Cy 4 1 7 Cy 3 6
L sr 281 227,5 159 L sr 24 % -30 %
5,3 L 30 10 10 L 200 % 0 %
V 12600 2500 1400 V 404 % -44 %
N, 1118 1110 1142 ^ 1 % 3 %
pr 3,47 3,44 3,32 pr 1 % -3 %
Cx 44 46 46 Cx -2 0
Cy 39 38 39 Cy 1 1
L sr 331 258 188 L sr 28 % -27 %
6,1 L 23 14 11 L 64 % -21 %
V 4400 1200 600 V 267 % -50 %
^ 968 1086 1140 N, -11 % 5 %
pr 3,00 3,36 3,32 pr -11 % -1 %
Cx 4 3 3 Cx 1 0
Cy 68 74 77 Cy -6 3
L sr 222,5 151 115,5 L sr 47 % -24 %
Окончание табл. 2
1 2 3 4 5 6 7 8
L 10 13 11 L -23 % -15 %
V 4000 3400 1400 V 18 % -59 %
^ 1086 1089 1094 ^ 0 % 0 %
6,2 pr 3,37 3,37 3,19 pr 0 % -6 %
Cx 51 54 58 Cx -3 4
Cy 15 9 5 Cy 6 -4
L sr 322 262,5 184,5 L sr 23 % -30 %
L 13 13 10 L 0 % -23 %
V 1600 900 200 V 78 % -78 %
^ 1058 961 729 ^ 10 % -24 %
6,3 pr 3,26 2,98 2,12 pr 9 % -29 %
Cx 51 54 60 Cx -3 6
Cy 33 33 33 Cy 0 0
L sr 181,5 136,5 66 L sr 33 % -52 %
L 75 47 53 L 60 % 13 %
V 6000 2000 400 V 200 % -80 %
^ 7976 7299 7788 ^ 9 % 7 %
7,1 pr 24,75 22,61 22,67 pr 9 % 0 %
Cx 35 35 35 Cx 0 0
Cy 43 45 45 Cy -2 0
L sr 142,5 102,5 43,5 L sr 39 % -58 %
Таблица 3 Параметры кластеров в пространстве и их сравнение для третьего набора изображений
Профессиональная камера Базис - светлый стол (искусственное освещение)
Номер кластера Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.) Параметр Темный стол (иск. осв.) Светлый стол (ест. осв.)
1 2 3 4 5 6 7 8
L 6 7 4 L -14 % -43 %
V 2200 2300 1500 V -4 % -35 %
N, 1070 1049 1116 ^ 2 % 6 %
1,1 pr 3,32 3,25 3,21 Pr 2 % -1 %
Cx 16 15 14 Cx 1 -1
Cy 50 51 49 Cy -1 -2
L sr 312 293,5 315 L sr 6 % 7 %
L 3 9 3 L -67 % -67 %
V 1100 3000 1000 V -63 % -67 %
^ 1053 1081 1056 ^ -3 % -2 %
1,2 pr 3,26 3,35 3,04 Pr -3 % -9 %
Cx 55 56 59 Cx -1 3
Cy 16 17 20 Cy -1 3
L sr 311,5 294,5 294,5 L sr 6 % 0 %
Продолжение табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8
1,3 L 5 6 5 L -17 % -17 %
V 2500 2800 2400 V -11 % -14 %
^ 1075 1077 1060 ^ 0 % -2 %
pr 3,33 3,34 3,05 pr 0 % -8 %
Cx 27 26 26 Cx 1 0
Cy 43 43 44 Cy 0 1
L sr 363,5 349 356,5 L sr 4 % 2 %
2,1 L 6 5 7 L 20 % 40 %
V 2500 1800 2900 V 39 % 61 %
N, 1062 1017 1178 ^ 4 % 16 %
pr 3,29 3,15 3,39 pr 4 % 8 %
Cx 47 48 46 Cx -1 -2
Cy 56 58 59 Cy -2 1
L sr 330 309,5 327,5 L sr 7 % 6 %
2,2 L 7 6 6 L 17 % 0 %
V 2100 1500 1900 V 40 % 27 %
N, 1060 1040 1130 ^ 2 % 9 %
pr 3,28 3,22 3,25 pr 2 % 1 %
Cx 24 24 21 Cx 0 -3
Cy 60 61 59 Cy -1 -2
L sr 280,5 257 285 Lsr 9 % 11 %
2,3 L 13 11 5 L 18 % -55 %
V 5500 4100 2200 V 34 % -46 %
^ 1106 1095 1081 ^ 1 % -1 %
pr 3,43 3,39 3,11 pr 1 % -8 %
Cx 33 33 31 Cx 0 -2
Cy 51 53 53 Cy -2 0
L sr 332,5 311,5 337,5 L sr 7 % 8 %
3,1 L 3 5 3 L -40 % -40 %
V 1500 2400 1400 V -38 % -42 %
N, 1085 1086 1171 ^ 0 % 8 %
pr 3,36 3,36 3,37 pr 0 % 0 %
Cx 45 45 47 Cx 0 2
Cy 17 17 16 Cy 0 -1
L sr 361,5 352,5 347,5 L sr 3 % -1 %
3,2 L 7 8 7 L -13 % -13 %
V 2400 2400 2300 V 0 % -4 %
^ 1064 1063 1171 ^ 0 % 10 %
pr 3,30 3,29 3,37 pr 0 % 2 %
Cx 55 56 55 Cx -1 -1
Cy 45 46 50 Cy -1 4
L sr 301,5 279 290,5 L sr 8 % 4 %
3,3 L 7 8 9 L -13 % 13 %
V 1000 900 1200 V 11 % 33 %
N, 1056 1102 1126 ^ -4 % 2 %
pr 3,27 3,41 3,24 pr -4 % -5 %
Cx 33 33 34 Cx 0 1
Cy 27 28 30 Cy -1 2
L sr 195,5 172 189,5 L sr 14 % 10 %
Продолжение табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8
4,1 L 6 8 5 L -25 % -38 %
V 1400 1700 1200 V -18 % -29 %
^ 1059 1077 1185 ^ -2 % 10 %
pr 3,28 3,34 3,41 pr -2 % 2 %
Cx 68 69 69 Cx -1 0
Cy 45 45 49 Cy 0 4
L sr 251 235 245,5 L sr 7 % 4 %
4,2 L 15 11 9 L 36 % -18 %
V 2000 1200 1300 V 67 % 8 %
N, 1116 1092 1170 ^ 2 % 7 %
pr 3,46 3,38 3,37 pr 2 % 0 %
Cx 37 36 35 Cx 1 -1
Cy 61 62 64 Cy -1 2
L sr 187,5 165,5 195,5 L sr 13 % 18 %
4,3 L 10 8 5 L 25 % -38 %
V 3200 2200 1600 V 45 % -27 %
N, 1091 1095 1108 ^ 0 % 1 %
pr 3,38 3,39 3,19 pr 0 % -6 %
Cx 27 26 24 Cx 1 -2
Cy 50 51 52 Cy -1 1
L sr 289 266 291,5 L sr 9 % 10 %
5,1 L 13 15 9 L -13 % -40 %
V 2900 2900 1900 V 0 % -34 %
^ 1116 1132 1239 ^ -1 % 9 %
pr 3,46 3,51 3,57 pr -1 % 2 %
Cx 23 22 23 Cx 1 1
Cy 28 28 28 Cy 0 0
L sr 242,5 226,5 232,5 L sr 7 % 3 %
5,2 L 8 10 7 L -20 % -30 %
V 3100 3600 2400 V -14 % -33 %
N, 1111 1108 1228 ^ 0 % 11 %
pr 3,44 3,43 3,54 pr 0 % 3 %
Cx 38 38 39 Cx 0 1
Cy 23 24 21 Cy -1 -3
L sr 317 305 299,5 L sr 4 % -2 %
5,3 L 11 7 8 L 57 % 14 %
V 4600 2700 3200 V 70 % 19 %
^ 1155 1107 1179 ^ 4 % 7 %
pr 3,58 3,43 3,40 pr 4 % -1 %
Cx 43 44 43 Cx -1 -1
Cy 40 40 42 Cy 0 2
L sr 329,5 317,5 324 L sr 4 % 2 %
6,1 L 20 18 16 L 11 % -11 %
V 2900 2100 2700 V 38 % 29 %
N, 1149 1149 1310 ^ 0 % 14 %
pr 3,56 3,56 3,77 pr 0 % 6 %
Cx 18 18 13 Cx 0 -5
Cy 72 73 68 Cy -1 -5
L sr 193 176 208 L sr 10 % 18 %
Окончание табл. 3
1 2 3 4 5 6 7 8
6,2 L 12 14 6 L -14 % -57 %
V 4600 5000 2100 V -8 % -58 %
N' 1169 1180 1227 N' -1 % 4 %
pr 3,62 3,66 3,53 pr -1 % -3 %
Cx 51 51 54 Cx 0 3
Cy 12 13 11 Cy -1 -2
L sr 317 305 304 L sr 4 % 0 %
6,3 L 14 8 14 L 75 % 75 %
V 1500 700 1200 V 114 % 71 %
N' 1120 1126 1166 N' -1 % 4 %
pr 3,47 3,49 3,36 pr -1 % -4 %
Cx 52 52 55 Cx 0 3
Cy 33 35 35 Cy -2 0
L sr 166 152 148 L sr 9 % -3 %
7,1 L 86 74 134 L 16 % 81 %
V 4800 3300 8500 V 45 % 158 %
N' 8984 9869 9314 N' -9 % -6 %
pr 27,84 27,62 26,83 pr 1 % -3 %
Cx 36 35 34 Cx 1 -1
Cy 44 45 47 Cy -1 2
L sr 118 106 123 L sr 11 % 16 %
Таблица 4 Параметры кластеров в пространстве и их сравнение для четвертого набора изображений
Номер кластера Светлый стол Базис - мыльница
Параметр Телефон Samsung Galaxy S9 Plus Камера Sony Mini Проф. камера Параметр Телефон Samsung Galaxy S9 Plus Проф. камера
1 2 3 4 5 6 7 8
1,1 L 10 12 7 L -17 % -42 %
V 1900 2500 2300 V -24 % -8 %
N' 1075 976 1049 N' 10 % 8 %
pr 3,34 3,02 3,25 pr 10 % 8 %
Cx 7 6 15 Cx 1 9
Cy 51 54 51 Cy -3 -3
L sr 220 232 293,5 L sr -5 % 27 %
1,2 L 10 8 9 L 25 % 13 %
V 2600 2100 3000 V 24 % 43 %
N' 1075 979 1081 N' 10 % 11 %
pr 3,34 3,03 3,35 pr 10 % 11 %
Cx 59 59 56 Cx 0 -3
Cy 22 14 17 Cy 8 3
L sr 260 262 294,5 L sr -1 % 12 %
Продолжение табл. 4
1 2 3 4 5 6 7 8
1,3 L 6 8 6 L -25 % -25 %
V 1800 2400 2800 V -25 % 17 %
^ 1074 986 1077 ^ 9 % 9 %
pr 3,33 3,05 3,34 pr 9 % 9 %
Cx 22 23 26 Cx -1 3
Cy 42 41 43 Cy 1 2
L sr 283 282 349 L sr 0 % 24 %
2,1 L 15 6 5 L 150 % -17 %
V 4500 1700 1800 V 165 % 6 %
N, 1099 968 1017 ^ 14 % 5 %
pr 3,41 3,00 3,15 pr 14 % 5 %
Cx 49 48 48 Cx 1 0
Cy 58 57 58 Cy 1 1
L sr 278,5 268 309,5 L sr 4 % 15 %
2,2 L 12 8 6 L 50 % -25 %
V 2200 1400 1500 V 57 % 7 %
^ 1096 978 1040 ^ 12 % 6 %
pr 3,40 3,03 3,22 pr 12 % 6 %
Cx 22 11 24 Cx 11 13
Cy 58 63 61 Cy -5 -2
L sr 217 215 257 L sr 1 % 20 %
2,3 L 11 7 11 L 57 % 57 %
V 3300 1900 4100 V 74 % 116 %
N, 1090 992 1095 ^ 10 % 10 %
pr 3,39 3,07 3,39 pr 10 % 10 %
Cx 33 30 33 Cx 3 3
Cy 51 53 53 Cy -2 0
L sr 278,5 266,5 311,5 L sr 5 % 17 %
3,1 L 8 10 5 L -20 % -50 %
V 2900 3700 2400 V -22 % -35 %
^ 1088 1039 1086 ^ 5 % 4 %
pr 3,38 3,22 3,36 pr 5 % 5 %
Cx 49 48 45 Cx 1 -3
Cy 14 0 17 Cy 14 17
L sr 308 311 352,5 L sr -1 % 13 %
3,2 L 10 11 8 L -9 % -27 %
V 2800 2600 2400 V 8 % -8 %
N, 1082 1036 1063 ^ 4 % 3 %
pr 3,36 3,21 3,29 pr 5 % 3 %
Cx 59 57 56 Cx -1 -1
Cy 48 44 46 Cy 4 2
L sr 268 249,5 279 L sr 7 % 12 %
3,3 L 6 10 8 L -40 % -20 %
V 600 800 900 V -25 % 13 %
N, 1085 940 1102 N, 15 % 17 %
pr 3,37 2,91 3,41 pr 16 % 17 %
Cx 35 34 33 Cx 1 -1
Cy 29 22 28 Cy 7 6
L sr 156 144 172 L sr 8 % 19 %
Продолжение табл. 4
1 2 3 4 5 6 7 8
4,1 L 11 13 8 L -15 % -38 %
V 2000 2000 1700 V 0 % -15 %
^ 1122 947 1077 ^ 18 % 14 %
pr 3,48 2,93 3,34 pr 19 % 14 %
Cx 68 71 69 Cx -3 -2
Cy 56 41 45 Cy 15 4
L sr 218,5 199,5 235 L sr 10 % 18 %
4,2 L 21 15 11 L 40 % -27 %
V 2100 1300 1200 V 62 % -8 %
^ 1078 1036 1092 ^ 4 % 5 %
pr 3,35 3,21 3,38 pr 4 % 5 %
Cx 41 35 36 Cx 6 1
Cy 59 61 62 Cy -2 1
L sr 160,5 149,5 165,5 L sr 7 % 11 %
4,3 L 17 15 8 L 13 % -47 %
V 3400 2700 2200 V 26 % -19 %
N, 1144 1075 1095 ^ 6 % 2 %
pr 3,55 3,33 3,39 pr 7 % 2 %
Cx 26 22 26 Cx 4 4
Cy 50 53 51 Cy -3 -2
L sr 228,5 217,5 266 L sr 5 % 22 %
5,1 L 9 9 15 L 0 % 67 %
V 800 700 2900 V 14 % 314 %
N, 1118 944 1132 ^ 18 % 20 %
pr 3,47 2,92 3,51 pr 19 % 20 %
Cx 14 13 22 Cx 1 9
Cy 21 12 28 Cy 9 16
L sr 156,5 146,5 226,5 L sr 7 % 55 %
5,2 L 10 11 10 L -9 % -9 %
V 2100 2200 3600 V -5 % 64 %
^ 1181 929 1108 ^ 27 % 19 %
pr 3,67 2,88 3,43 pr 27 % 19 %
Cx 39 38 38 Cx 1 0
Cy 16 1 24 Cy 15 23
L sr 235 227,5 305 L sr 3 % 34 %
5,3 L 15 10 7 L 50 % -30 %
V 4600 2500 2700 V 84 % 8 %
N, 1188 1110 1107 ^ 7 % 0 %
pr 3,69 3,44 3,43 pr 7 % 0 %
Cx 46 46 44 Cx 0 -2
Cy 42 38 40 Cy 4 2
L sr 281,5 258 317,5 L sr 9 % 23 %
6,1 L 15 14 18 L 7 % 29 %
V 1200 1200 2100 V 0 % 75 %
^ 1141 1086 1149 N, 5 % 6 %
pr 3,54 3,36 3,56 pr 5 % 6 %
Cx 13 3 18 Cx 10 15
Cy 69 74 73 Cy -5 -1
L sr 142,5 151 176 L sr -6 % 17 %
Окончание табл. 4
1 2 3 4 5 6 7 8
6,2 L 9 13 14 L -31 % 8 %
V 2300 3400 5000 V -32 % 47 %
N' 1141 1089 1180 N' 5 % 8 %
pr 3,54 3,37 3,66 pr 5 % 8 %
Cx 56 54 51 Cx 2 -3
Cy 15 9 13 Cy 6 4
L sr 258,5 262,5 305 L sr -2 % 16 %
6,3 L 16 13 8 L 23 % -38 %
V 1100 900 700 V 22 % -22 %
N' 1041 961 1126 N' 8 % 17 %
pr 3,23 2,98 3,49 pr 9 % 17 %
Cx 55 54 52 Cx 1 -2
Cy 37 33 35 Cy 4 2
L sr 132 136,5 152 L sr -3 % 11 %
7,1 L 70 47 74 L 49 % 57 %
V 2800 2000 3300 V 40 % 65 %
N' 7812 7299 9869 N' 7 % 35 %
pr 24,25 22,61 27,62 pr 7 % 22 %
Cx 36 35 35 Cx 1 0
Cy 44 45 45 Cy -1 0
L sr 100 102,5 106 L sr -2 % 3 %
Для определения устойчивости кластера были выбраны следующие критерии:
устойчивый - изменение длины L кластера не более 25 %, сдвиг центра кластера Сх/Су не более 2 ° по обоим углам;
промежуточный - изменение длины L кластера не более 50 %, сдвиг центра кластера Сх/Су не более 3 ° по обоим углам;
неустойчивый - изменение длины L кластера более 50 %, сдвиг центра кластера Сх/Су более 3 ° по хотя бы одному углу.
Результаты анализа данных, приведенных в табл. 1 - 4, позволяют сделать следующие выводы:
при сравнении параметров кластеров из табл. 1, отражающей сравнение влияния освещения на фотоснимки, сделанные на телефон модели Samsung Galaxy S9 Plus, устойчивым оказался 1 кластер (5 %), промежуточными - 2 (10 %), остальные 16 - неустойчивыми (85 %);
при сравнении параметров кластеров из табл. 2, отражающей сравнение влияния освещения на фотоснимки, сделанные на камеру Sony Mini, все кластеры оказались неустойчивыми;
при сравнении параметров кластеров из табл. 3, отражающей сравнение влияния освещения на фотоснимки, сделанные на профессиональную камеру, устойчивыми оказались 2 кластера (10 %), промежуточными -8 (42 %), неустойчивыми - остальные 9 (48 %).
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
устойчивость кластеров в пространстве RGB существенно зависит от условий проведения съемки изображений;
более устойчивыми являются изображения, формируемые профессиональной аппаратурой.
Список литературы
1. Шаповалов А.Б., Солунин В.Л., Костюков В.В. Системы управления, наведения и приводы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. 416 с.
2. Белоглазов И.Н., Джанджгава Г.И., Чигин Г.П. Основы навигации по геофизическим полям. М.: Наука, 1985. 328 с.
3. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. Вып. 1. С. 3 - 8.
4. Щербинин В.В, Шевцова Е.В., Безрукова К.А. Алгоритм кластеризации изображений цветных оптических корреляционно-экстремальных систем навигации летательных аппаратов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Вып. 6. С. 3 - 11.
Безрукова Ксения Андреевна, техник 1-й категории, [email protected], Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Шевцова Екатерина Викторовна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,
Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, ст. науч. сотрудник, начальник отделения, cmi.ag@cmiag. ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
RESEARCH OF THE CHARACTERISTICS OF AN IMAGE CLUSTERING ALGORITHM FOR COLOR OPTICAL CORRELATIONAL EXTREME AIRCRAFT NAVIGATION SYSTEMS FOR DIFFERENT CONDITIONS OF PHOTOGRAPGHING
K.A. Bezrukova, E.V. Shevtsova, V.V. Scherbinin
The article presents the results of research of an algorithm for clustering images of color optical correlation-extremal aircraft navigation systems for different conditions. The data of testing the proposed algorithm on testing images taking under the different lightning conditions and using different cameras are presented.
Key words: correlation-extremal aircraft navigation systems, color image, informative parameter, cluster.
Bezrukova Ksenia Andreevna, technician of the 1st category, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Shevtsova Ekaterina Victorovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»,
Shcherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research division, [email protected], Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automatics and Hydraulics»
УДК 528.83
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-10-27-28
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕАЛИЗАЦИИ СПЛОШНОГО ПОКРЫТИЯ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЁМКОЙ
В УСЛОВИЯХ ОБЛАЧНОСТИ
М.Э. Теслер, Н.А. Щеткин
Определена важность задачи формирования сплошного покрытия поверхности Земли космической съемкой, облачность выделена как основной ограничивающий фактор. Описан дизайн выполнения исследования, в котором учтены характеристики орбиты и оптико-электронной аппаратуры существующих космических аппаратов и статистические данные облачного покрытия за период с 1980 по 2021 год включительно. В качестве результатов проведения исследования приведены графики формирования покрытия поверхности Северного полушария по широтам.
Ключевые слова: космическая съемка, дистанционное зондирование Земли, космический аппарат дистанционного зондирования Земли, математическое моделирование.
Введение. В настоящее время результаты дистанционного зондирования Земли из космоса в виде изображений подстилающей поверхности являются одним из уникальных высокоэффективных инструментов решения широкого круга научных и хозяйственных задач. Широкое распространение получило использование космических снимков в вопросах картографии, землеустройства, мониторинга окружающей среды и поиска полезных ископаемых. При этом рассматривается обычно ограниченная территория, иными словами исследование несет локальный характер [1, 2, 3, 4]. Переход от локальных исследований к глобальным требует подготовки большого числа космических снимков, которые покрывают обширные территории, а в идеале охватывают всю поверхность Земли. На орбите находится малое количество отечественных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли, что вызывает необходимость закупать
27
