Исследование характеристик цветной корреляционно-экстремальной системы навигации и наведения летательного аппарата Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 629.052.9

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЦВЕТНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННО-ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ НАВИГАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

В.В. Щербинин, Г. А. Кветкин, И.О. Дегтярёв, Е.В. Шевцова

Проводится точностный анализ цветной (RGB) и монохромных (отдельно R-, G-, B-каналы) оптических корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов в условиях действия искажающих факторов при увеличенном линейном размере текущего изображения, начатый авторами в предыдущей работе.

Ключевые слова: цветные корреляционно-экстремальные системы навигации и наведения, синтезированные изображения, вероятность безотказной работы.

Широко распространённые сейчас КЭСНН, функционирующие по полю оптического контраста (далее оптические КЭСНН), используют в основном монохромные (черно-белые) изображения подстилающей поверхности в видимом диапазоне электромагнитного излучения. Авторами данной работы предлагается использовать в качестве информативного параметра навигационного поля цифровые цветные изображения местности [1, 2, 3]. Элементами данных изображений являются трехкомпонентные вектора цветовой модели RGB. Каждый компонент вектора соответствует значению яркости отдельного монохромного канала (r, g, b).

В работе [3]приведены результаты сравнительной оценки точностных характеристик цветных и монохромных оптических КЭСНН под воздействием различных помеховых факторов. В качестве данных помеховых факторов выступали аддитивный и мультипликативный шумы дисперсий 0,1; 0,5;1,0 и импульсный шум параметров 0,1; 0,5; 1,0. В ходе исследования были рассмотрены случаи лишь для текущих изображений (ТИ) малого линейного размера, а именно 20,50 пикселей. Линейный размер эталонного изображения (ЭИ) составлял 200 пикселей. По итогам статистического анализа по предложенной методике [3] на базе синтезированных и реальных изображений было показано, что вероятность безотказной работы цветной оптической КЭСНН выше, чем монохромной оптической КЭСНН в любом из монохромных R-, G-, B-каналов при заданных уровнях интенсивности помеховых воздействий.

Под вероятностью безотказной работы подразумевается вероятность исхода с нулевой ошибкой в определении положения ТИ в локальной системе координат при моделировании работы КЭСНН.

Основная задача настоящей работы - распространить результаты исследований [3] на случай функционирования КЭСНН по ТИ большего линейного размера. Для этого вводится в рассмотрение ТИ размера 100 пикселей, а размер ЭИ, как и прежде, составляет 200 пикселей.

На рис. 1 представлено сравнение используемых в исследовании

ТИ.

Рис. 1. К оценке соотношения линейных размеров ТИ (20, 50,100 пикселей) и ЭИ (200 пикселей)

Методика сравнения точностных характеристик цветной и монохромных КЭСНН, так же, как и методика формирования искусственных ЭИ, которые используются для построения теоретических основ настоящего эксперимента, были подробно описаны в статье [3].

Для сравнительного анализа оптических КЭСНН проведено математическое моделирование, графические результаты которого для вероятности P безотказной работы КЭСНН представлены на рис. 2, а числовые значения - в табл. 1.

Аналогично [3] аргументами полученных зависимостей являются радиус корреляции и угол контраста ЭИ. Угол контраста представляет собой характеристику, описывающую уровень контраста (мера отклонения текущего вектора [r, g, b] цвета от вектора [147, 147, 147] - серого цвета) текущей фации (фация - характерный кластер, по размеру соответствую-

104

щий радиусу корреляции синтезируемой местности). Диапазон изменения радиуса корреляции [3] Яс е [4; 160], а угла контраста а е [0; 54,7]. Моделирование проводилось путем многократного запуска алгоритмов КЭСНН; вероятность попадания центра выбранного ТИ в центр ЭИ подчинена нормальному закону.

ШЩЙСЩ I

Рис. 2. Зависимость вероятности безошибочной работы идеальных алгоритмов КЭСНН от радиуса корреляции и угла контраста

Таблица 1

Диапазон значений параметров для заданной вероятности Р

Тип КЭСНН ЯОВ Я О В

Р> 0,7 Яс, пикс. 4...154 4.124 4.124 4.120

а, град 0...54,7 0.54,7 0.54,7 0.54,7

Р> 0,9 Яс, пикс. 4.140 4.116 4.136 4.124

а, град 0.54,7 0.54,7 0.54,7 0.54,7

Анализ результатов показал, что зависимость вероятности безотказной работы КЭСНН от угла контраста является незначительной, как и в[3]. Радиус корреляции оказал значительное влияние на вероятность лишь

105

в области больших значений (Rc более 100 пикселей), а в области малых^, алгоритмы КЭСНН оказались инвариантны kRc. В полном соответствии с результатами [3] отмечена более широкая область устойчивой работы алгоритма цветной оптической КЭСНН («RGB КЭСНН» на рис. 2) по сравнению с монохромными («R-канал КЭСНН», «G-канал КЭСНН», «B-канал КЭСНН» на рис. 2).

Результаты множества проведенных численных экспериментов показали, что характеристики монохромных оптических КЭСНН по различным каналам (R, G, B) обладают схожей точностью, поэтому в дальнейшем изложении результаты ограничены лишь параметрами R-канала.

Проведено моделирование работы цветной (RGB) и «красной» (R) оптических КЭСНН на базе банка синтезированных изображений в условиях помеховых факторов. Аналогично [3] ТИ подвергалось искажению следующими видами помех: аддитивный и мультипликативный шумы дисперсий 0,1;0,5;1 и импульсный шум параметров 0,1;0,5;1.

В соответствии с опытно-теоретическим методом [4] требуется оценить адекватность полученных теоретических зависимостей вероятности безотказной работы КЭСНН в условиях помеховых факторов.

С данной целью были использованы реальные изображения - аэрофотоснимки (АФС), представленные на рис. 3.

АФС-1

АФС-2

Рис. 3. Примеры аэрофотоснимков АФС

В табл. 2 представлены характеристики введенных в рассмотрение

АФС.

Таблица 2

Параметры АФС

Изображение АФС-1 АФС-2

Rc, пикс. »22 »150

а, град »20 »10

В ходе экспериментов было выявлено, что в рассматриваемом диапазоне интенсивности помеховых воздействий алгоритмы как цветной, так и монохромной оптических КЭСНН на базе АФС-1 в отличие от предшествующих результатов [3] безотказны для ТИ увеличенного линейного размера. Для сравнительной оценки цветной и монохромной оптических КЭСНН рассмотрено их функционирование в условиях воздействия помеховых факторов повышенной интенсивности.

На рис. 4 представлены примеры влияния искажающих факторов предельной интенсивности на вид изображения.

Рис. 4. Помеховые факторы предельной интенсивности (слева направо: аддитивный шум а=10, мультипликативный шум а=50)

В этих случаях цветная и монохромные оптические КЭСНН находятся на границе устойчивости, которая, как ив [3], описывается уровнем безотказной работы КЭСНН 70 %.

Для большей наглядности результата характеристики шумовых составляющих пересчитаны в соотношение «сигнал/шум». Для монохромной оптической КЭСНН данный параметр представляет собой скалярную величину:

ЖЛиШ2

осш =

где / — исходное изображение; / — зашумленное изображение; М, N — размеры изображения.

Для цветной оптической КЭСНН данный параметр представляет собой трехкомпонентный вектор [ОСШг, ОСШд, ОСШъ]. В качестве аргумента графика во втором случае выбрано среднее арифметическое по всем компонентам вектора:

ОСШг + ОСШд + осшъ

ОСШГдЬ —

Из зависимостей, изображенных на рис. 5., видно, что цветная и монохромные оптические КЭСНН выходят из зоны устойчивой работы при разных значениях ОСШ. Данные по этим характерным точкам сведены в табл. 3

Рис. 5. Характеристики КЭСНН в зависимости от ОСШ

Таблица 3

Зоны устойчивой работы КЭСНН для АФС-1

Вид КЭСНН P ОСШ Аддитивного шума ОСШ Мультипликативного шума

Цветная P> 0,7 >0,50 >0,50

Красная >0,54 >0,56

Зеленая >0,60 >0,63

Синяя >0,50 >0,50

Согласно табл. 3 в шумовом диапазоне ОСШ от 0,4 до 1,2 цветная оптическая КЭСНН обладает повышенной устойчивостью по сравнению с монохромными каналами. Исключением из общего правила являются результаты для монохромной оптической КЭСНН в B-канале («синий»).

Дальнейшее изложение посвящено изучению точностных характеристик КЭСНН на базе АФС-2.

При сопоставлении теоретических результатов и реального изображения с большим значением Яс (АФС-2) влияние помеховых факторов предполагалось более существенным (согласно табл. 1 ^с=150 является пограничным для P=0.7). Как и в [3], из теоретических значений P при различных шумовых составляющих, накладываемых на ТИ, получены зависимости P(a) при Rc=const. Графическая интерпретация данной выборки заключается в получении сечения поверхности (по типу рис. 2) плоскостью, нормальной к осиКс. Ввиду того, что для АФС-2 ^с=150 (см. табл. 2), для теоретических зависимостей P(a) выбраны граничные значения ^с=140 и ^с=160, т.е. в случае совпадения теоретических (кривые на рис. 6) и практических (зеленая точка, соответствующая а=10°, на рис. 6) результатов данная точка должна находиться вблизи двух кривых.

дай кзснн

рев кэснн

РСЕ КЗСНН

о.в

0.6

0.4

0.2

-т

I

I I

I

I

I

£ я

ш

г

I I

о

20

■Ч ........*

40

о.в

0.6

0.4

12

/Ч, /

! I

Л : ?

""■ ...... V' ;

Угол контраста

20 40

Угол контраста

0.3

0.6

0.4

0-2

А

/\

............# I........ //..... л ч ; |

г ; %

20 40

Угол контраста

Р-канал К8СНН

Р-канал КЭСНН

20 40

Угол контраста

.....Ж...........

\

Лч / % /........4

' 1 V

20

40

Угол контраста

'Угол контраста

Рис. 6. Сопоставление теоретических кривых с результатами исследования АФС-2 под воздействием аддитивного шума (слева направо: дисперсия шума составляет 0,1; 0,5; 1,0)

Анализ характеристик на рис. 6 показал, что во всех рассмотренных случаях наблюдается попадание точек, соответствующих характеристикам АФС-2 в диапазон теоретических кривых с погрешностью не более 20 %. Аналогичная картина наблюдается также для случая наложения на ТИ мультипликативного и импульсного шумов.

Для оценки адекватности гипотезы о влиянии размера ТИ на точность КЭСНН было решено сравнить данные результаты с зависимостями, которые были получены для ТИ уменьшенных размеров, а именно 20 и 50 пикселей.

На рис. 7 и 8 приведены зависимости вероятности безотказной работы КЭСНН под воздействием аналогичных помеховых факторов для случаев уменьшенных размеров ТИ.

Рис. 7. Результаты моделирования на базе ТИ линейного размера 50 пикселей (слева направо: дисперсия шума составляет 0,1; 0,5; 1,0)

ашяенн

рев йены

ившаш-

33

аа

'^"м.п датршш:

..............

/ #

Г---, , *

! с 'Я

I !

ш

0 1

/ .........1 -Л 4

п — / .......4

20

Ж

:-'"п.п |т.| п: гп.::

о Щ| щ

20 40..

Угол контраста

Р-канал КЭСНН

1 —О-? шеи?, ГГ. 7Г|7Г>^лл''

Угол контраста

Рис. 8. Результаты моделирования на базе ТИ линейного размера 20 пикселей (слева направо: дисперсия шума составляет 0,1; 0,5; 1,0)

Сравнивая представленные зависимости для случаев ТИ линейных размеров 20, 50 и 100 пикселей, можно отметить, что, действительно, увеличение линейного размера ТИ приводит к закономерному расширению зон устойчивой работы моделируемых цветных и монохромных КЭСНН.

Таким образом, основные результаты работы можно свести к следующим основным положениям:

- проведено моделирование работы цветной и монохромной оптических КЭСНН на базе синтезированных ТИ (увеличенного линейного размера в 100 пикселей) при воздействии различных помеховых факторов: аддитивного и мультипликативного шумов дисперсий 0,1 ;0,5;1 и импульсного шумового параметров 0,1 ;0,5;1;

- результаты моделирования на базе обоих фотоснимков хорошо согласуются с классической теорией КЭСНН, согласно которой монохромная система обеспечивает достоверное решение при соотношении размеров ТИ и ЭИ на уровне 1/3...1/4, что соответствует в данном случае линейному размеру ТИ в 100 пикселей;

- во всех рассматриваемых случаях (в идеальных условиях и при зашумлении) точностные характеристики цветной оптической КЭСНН превосходили характеристики монохромных оптических КЭСНН.

Работа выполняется при поддержке Гранта РФФИ № 15-07-06928.

Список литературы

1. Щербинин В.В. Построение инвариантных корреляционно-экстремальных систем навигации и наведения летательных аппаратов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011.

2. Методы и алгоритмы функционирования цветной оптической корреляционно-экстремальной системы навигации летательных аппаратов /

B.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Ю.С. Васильева, О.М. Чижевская // Гироско-пия и навигация. СПб. 2012. Вып. 4 (79). С. 34 - 49.

3. Сравнительная оценка точностных характеристик цветных и монохромных оптических КЭСНН ЛА / В.В. Щербинин, Е.В. Шевцова, Г. А. Кветкин, И.О. Дегтярёв // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. Вып. 11. Ч. 2.

C. 3 - 18.

4. Сложные системы / А.С. Шаракшанэ, И.Г. Железнов [и др.]. М.: Высшая школа, 1977.

Щербинин Виктор Викторович, д-р техн. наук, нач. научно-технического отделения, спИахаспИах.ги, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Кветкин Георгий Алексеевич, канд. техн. наук, нач. лаборатории, спИахаспИах.ги, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Дегтярёв Илья Олегович, инж., i.o.degtyarev@gmail.com, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»,

Шевцова Екатерина Викторовна, канд. техн. наук, доцент, catrin victoramail.ru, Россия, Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана

RESEARCH OF CHARACTERISTICS OF COLOR CORRELATION AND EXTREME SYSTEM OF NA VIGA TION AND GUIDANCE OF THE AIRCRAFT

V. V. Scherbinin, G. A. Kvetkin, I. O. Degtyarev, E. V. Schevtsova

Precision analysis of color (RGB) and monochrome (R-, G-, B-channels) vision-based correlation-extremal aircraft navigation systems (CENS) which has been began in previous work, is performed under the action of different noise factors and with increased linear size of current image.

Key words: correlation-extremal aircraft navigation systems, synthesized images, probability of survival.

Scherbinin Victor Victorovich, doctor of technical sciences, head of research department, cniiagacniiag. ru, Russia, Moscow, Joint Stock Company "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics ",

Kvetkin Georgy Alekseevich, candidate of technical sciences, head of laboratory, cniiaga cniiag. ru, Russia, Moscow, Joint Stock Company "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",

Degtyarev Ilya Olegovich, engineer, i. o. degtyarevagmail. com, Russia, Moscow, Joint Stock Company "Central Research Institute for Automatics and Hydraulics",

Schevtsova Ekaterina Victorovna, candidate of technical sciences, docent, catrin victoramail. ru, Russia, Moscow, Moscow Bauman State Technical University