CC BY
55
УДК 681.78:004.94
КОНЦЕПЦИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ ЛАБОРАТОРИИ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Лев Николаевич Сидоров
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (993)006-44-95, e-mail: lev-sidorov@yandex.ru
Евгений Владимирович Грицкевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail:kaf.nio@ssga.ru
Рассматривается концепция создания программно-технического комплекса, позволяющего проводить виртуальные испытания современных систем технического зрения различного назначения с целью разработки структуры и выбора элементной базы, проектируемой или модифицируемой системы, оптимального согласования параметров звеньев системы на уровне функциональной схемы, предварительной настройки модулей, апробации алгоритмов цифровой обработки.
Ключевые слова: программно-технический комплекс, виртуальные испытания, имитационное компьютерное моделирование, система технического зрения, оптико-электронная система, оптимальное согласование.
THE CONCEPT OF A VIRTUAL LABORATORY FOR TESTING OF VISION SYSTEMS
Lev N. Sidorov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (993)006-44-95, e-mail: lev-sidorov@yandex.ru
Evgenij V. Gritskevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Nanosystems and Optics, tel. (383)344-29-29, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
Discusses the concept of creating a software and hardware complex, allowing to carry out virtual testing advanced vision systems for various purposes with the aim of developing the structure and selection of the circuitry to be designed or modified systems, optimal coordination of the parameters of the components of the system-level functional diagram, preset modules, testing of algorithms of digital processing.
Key words: software and hardware complex, virtual testing, computer simulation, vision system, electro-optical system, optimum matching.
При разработке, настройке, эксплуатации и модификации систем технического зрения (СТЗ) возникают проблемы выбора как комплектующих изделий, так и процедур обработки, обеспечивающих минимизацию информационных потерь при получении (детектировании) сигналов и их анализе. Основные трудности связаны с большим количеством вариантов возможных реализаций.
Объективно оценить эффективность каждого варианта можно только с помощью компьютерной модели [1, 2]. На практике, при создании новых оптико-электронных информационно-измерительных систем (ОЭИИС) или их адаптации к конкретным условиям применения, используется методика примитивной сборки, когда под базовый элемент будущей системы (например, новый фотоприемник) подбираются другие элементы из тех, которые есть в наличии. Не выполняется оптимизационная подстройка звеньев, и корректировка процедур цифровой обработки.
В этой связи, ставится задача разработки инструмента, обеспечивающего всесторонний анализ и синтез оптико-электронных систем (ОЭС) на виртуальном уровне. Решение этой задачи предполагает создание программно-технического комплекса (ПТК) для проведения виртуальных испытаний ОЭС. Особенно актуально использование ПТК при исследовании систем, для которых проведение натурных испытаний затруднительно или не представляется возможным по причинам, связанным с безопасностью человека (например, для приборов, предназначенных для нужд МЧС или министерства обороны). Имитационная компьютерная модель (ИКМ) позволит анализировать вероятное поведение системы в любых физически возможных ситуациях. Современные СТЗ, как правило, имеют в своем составе несколько информационных каналов: прибор ночного видения, тепловизор, дневную телевизионную камеру, измерительный канал для фиксации пространственного положения объектов и слежения за ними. В этих информационных каналах используются различные фотоприемные устройства и оптические системы.
На рис. 1 показана структурная схема одного из возможных вариантов мультиспектральной (многодиапазонной) многоканальной ОЭИИС.
Рис. 1. Структурная схема мультиспектральной многоканальной оптико-электронной информационно-измерительной системы:
ОФС (ФЦО) - объектно-фоновая ситуация (фоно-целевая обстановка); АК - атмосферный канал; ОС - оптическая система; ФП - фотоприемник; К (ПЛИС) - компьютер (программируемая логическая интегральная схема); ВКУ - видеоконтрольное устройство; ИУ - исполнительное устройство; ИИ - индикатор измерений; П - потребитель; ИК - инфракрасный канал; ТВ - телевизионный канал
Возникает проблема совместимости каналов между собой. В настоящее время эта проблема решается в основном опытно-экспериментальным путем при монтаже, сборке и настройке ОЭИИС, что не обеспечивает оптимальную совместимость каналов и приводит к значительным потерям информации. Наличие у разработчиков такого мощного инструмента, как виртуальная лаборатория, позволит производить заблаговременную настройку различных каналов по критерию максимальной информационной эффективности. Очевидно, что такой инструмент также даст возможность проводить обучение персонала, что немаловажно при высокой стоимости изучаемых приборов.
На рис. 2 представлена схема «традиционной» технологии создания новой СТЗ, применяемой в настоящее время.
Рис. 2. Условная схема «традиционной» технологии создания новой системы технического зрения:
ОС - оптическая система; ЭТ - электронный тракт; ЦОИ - цифровая обработка изображений
При использовании такой технологии основные компоненты СТЗ проектируются и изготавливаются, либо применяются в качестве готовых узлов, отдельно друг от друга, а синтез изделия осуществляется на уровне физической модели (опытного образца). На этом же уровне происходит коррекция системы путем подстройки параметров различных блоков между собой. Компьютер в данном случае используется в основном при расчете отдельных компонентов изделия, например, оптической системы. Такое использование можно было бы назвать режимом мощного калькулятора.
На рис. 3 показана схема «виртуальной» технологии создания СТЗ.
Рис. 3. Условная схема «виртуальной» технологии создания новой системы технического зрения
Здесь использование компьютера при проектировании изделия носит «сквозной» характер, то есть сначала создается оптимальная имитационная модель системы с заранее согласованными параметрами отдельных звеньев по критерию, характеризующему обобщенную функциональную эффективность СТЗ, а затем уже изготавливается опытный образец.
Центр тяжести разработки новых и модификации существующих СТЗ переносится с натурного макетирования физических образцов прибора в условиях лаборатории или полигона в сферу компьютерного моделирования, что потребует создания сквозной математической модели оптико-электронного трака, а также разработки методологии проведения виртуальных исследований. Особенностью этой методологии является возможность отображения результатов работы системы в реальном времени на экране монитора так, как это будет в дальнейшем реализовано в действующем приборе [3]. То есть, на экране компьютерного дисплея предполагается генерировать изображение, выводимое на экран видеоконтрольного устройства (ВКУ) СТЗ. Визуализация выходного изображения предоставляет возможность субъективной оценки качества системы, еще не существующей на физическом уровне. Именно такой подход обеспечит в дальнейшем возможность мультимедийного обучения персонала для работы с СТЗ. В оптико-электронном приборостроении в настоящее время практически отсутствуют интегрированные компьютерные модели, позволяющие «видеть» результаты работы визуализирующего прибора. Сейчас в приборостроении в основном используются расчетные программы, «обслуживающие» моделирование отдельных звеньев прибора (оптической системы, фотоприемника, электронного тракта).
Встраивание в модель программных модулей-эмуляторов, реализующих процедуры цифровой обработки по отношению к генерируемому изображению, позволит в реальном времени отображать результаты воздействия применяемых алгоритмов на информационные характеристики выходного изображения и производить правильный выбор требуемого алгоритма, наиболее подходящего для выполнения конкретной функциональной задачи, решаемой прибором.
Виртуальная лаборатория будет представлять собой пакет программ, ориентированный на персональные компьютеры широкого назначения и работающий под управлением общедоступных операционных систем с использованием стандартного периферийного оборудования. Имитационная компьютерная модель должна иметь интерфейсную оболочку, позволяющую вести работу в профессиональном терминологическом пространстве в интерактивном диалоговом режиме через систему меню и подсказок. Модель разрабатывается по принципу открытой архитектуры, которая обеспечивает адаптируемость программного продукта к требованию конкретного потребителя, а также модифицируемость по мере развития элементной базы и появления новых принципов обработки оптической информации. Важной составной частью модели является информационно-справочная система, обеспечивающая информационную поддержку моделирования. Обучающие программные модули предназначены, во-первых,
для методического обеспечения процесса моделирования, а, во-вторых, для целей обучения персонала, работающего с системами технического зрения.
ПТК будет применяться в научно-технических подразделениях организаций и предприятий, связанных с разработкой, монтажом, наладкой и эксплуатацией систем видеонаблюдения, видеорегистрации, обеспечения безопасности (обнаружения, опознавания, идентификации интересующих объектов, измерения их параметров, предсказания поведения и слежения за ними). Особый интерес представляет имитационной моделирование автоматизированных устройств ввода оптической информации, предназначенных для работы в составе систем управления беспилотными летательными аппаратами и автомобилями, а также современных геодезических приборов (трассеров, тахеометров). Кроме того, ПТК обеспечит оптимальное согласование параметров и характеристик измерительного и визуального каналов в современных оптико-электронных информационно-измерительных комплексах, а также каналов, работающих в различных спектральных диапазонах (дневного, ночного, теплови-зионного).
Применение виртуальной лаборатории обеспечит разработку современных СТЗ в полном соответствии с их функциональным назначением, условиями эксплуатации и критериями эффективности, позволит адаптировать их для выполнения конкретных задач, оптимизировать структуру, проводить оптимальное согласование параметров отдельных модулей между собой [4, 5], а также бесконфликтно встраивать новые модули в систему при ее модификации, определять реальные диапазоны применимости СТЗ, заблаговременно выявлять экстремальные ситуации, которые могут возникнуть при эксплуатации таких систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Малинин В. В. Моделирование и оптимизация оптико-электронных приборов с фотоприемными матрицами. - Новосибирск : Наука, 2005. - С. 256.
2. Торшина И. П. Компьютерное моделирование оптико-электронных систем первичной обработки информации. - М. : Университетская книга : Логос, 2009. - С. 248.
3. Грицкевич Е. В. Моделирование процесса визуализации изображения в оптико-электронных наблюдательных приборах // Сб. трудов конференции «Оптика и образование -2008» / под общ. ред. А. А. Шехонина. - СПб. : СПбГУИТМО, 2008. - С. 73-74.
4. Грицкевич Е. В., Звягинцева П. А. Согласование оптической системы и фотоприемника в измерительных приборах // Вестник СГГА. - 2012.- Вып. 2 (18). - С. 74-80.
5. Звягинцева П. А., Сидоров Л. Н. Имитационная компьютерная модель для виртуальных исследований оптико-электронных измерительных систем // Наука. Технологии. Инновации : сб. науч. трудов : в 9 ч. / под ред. С. В. Макарова. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2016. - Ч. 1. - С. 28-30.
© Л. Н. Сидоров, Е. В. Грицкевич, 2017
