CC BY
27УДК 623.1/.7
КРАТКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ ОБРАЗЦОВ ВВСТ ПО ПОЛОЖЕНИЮ ГЛАЗА ОПЕРАТОРА. АЛГОРИТМ СОКРАЩЕНИЯ ВРЕМЕНИ КАЛИБРОВКИ В СИСТЕМАХ АЙТРЕКИНГА
BRIEF RESULTS OF THE DEVELOPMENT OF AN OPTOELECTRONIC GUIDANCE SYSTEM FOR VVST SAMPLES BASED ON THE POSITION OF THE OPERATOR'S EYE. THE ALGORITHM REDUCE THE TIME CALIBRATION OF THE EYE TRACKING SYSTEMS
DOI: 10.24412/CL-35807-2021-1-37-40
Захариков В. С., к.т.н, начальник конструкторского отдела СКТБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод», Клусов Д. В., инженер-конструктор
2-й категории конструкторского отдела СКТБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод», Палей А. Д., инженер-конструктор конструкторского отдела СКТБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод», Плотников А. А., инженер-конструктор
3-й категории конструкторского отдела СКТБ ПАО «Ростовский оптико-механический завод»
Zakharikov V. S., Ph.D, Head of the design Department of SKTB PJSC "Rostov Optical and Mechanical Plant",
Klusov D. V., Design-engineer 2 category of design department of SKTB PJSC "Rostov Optical and Mechanical Plant",
Paley A. D., Design-engineer of design department of SKTB PJSC "Rostov Optical and Mechanical Plant",
Plotnikov A. A., Design-engineer of design department of SKTB PJSC "Rostov Optical and Mechanical Plant"
В статье рассмотрено применение айтрекинга в системах наведения образцов ВВСТ без использования нашлемных систем целеуказания. Проведен сравнительный анализ с существующими нашлемны-ми системами. Выявлено, что системы отслеживания взгляда не применяются в системах ВВСТ. Расположенный под монитором айтрекер позволяет модернизировать и дополнять существующие прицельные комплексы бронетанковой техники. Разработанный алгоритм калибровки айтрекера по одной точке позволяет осуществлять готовность работы системы в течение 3 с.
The article discusses the use of Eyetracking in the guidance systems of VVST exemplar without the use of helmet-mounted target designation systems. A comparative analysis with existing helmet systems is carried out. It is revealed that the tracking system was not used in the system of armament and military equipment. The eyetracker located under the monitor and allows to upgrade and Supplement existing sighting systems of armored vehicles. The developed algorithm for calibrating the eyetracker at one point allows to make the system ready for 3 seconds.
Ключевые слова: айтрекер, eye-tracking, видео-окулография, калибровка, система наведения, оптико-электронная система.
Keywords: eye-tracker, eye-tracking, video oculog-raphy, calibration, the guidance system, optical-electronic system.
В настоящее время видеоокулография (айтрекинг, eye-tracking) применяется практически только в военной авиации. Изображение проецируется на прозрачный экран, находящийся перед глазами пилота и закрепленный на его шлеме. Так как экран прозрачен пилот может одновременно наблюдать внешнюю обстановку и индицируемую информацию. Изображение коллимируется в бесконечность, тем самым исключается необходимость аккомодации глаз.
Область применения нашлемной индикации ограничена боевыми самолетами и вертолетами, где НСИ выполняет ту же роль, что и ИЛС — позволяет осуществить контроль полета и прицеливание, не опуская взгляд на индикаторы в кабине, т. е. не отвлекаясь от окружающей обстановки, что очень важно в условиях боевых действий и на напряженных фазах полета.
Главная функция НСИ — наведение оружия на цель по положению головы или глаз. Первые подобные системы целеуказания «Щель» (Россия, ОКБ «Электроавтоматика», г. Санкт-Петербург) и «Сура» (Украина, разработка киевского Казенного предприятия специального приборостроения (КП СПС, бывшее ЦКБ), «Арсенал» КП СПС «Арсенал»)), внедренные на отечественных истребителях СУ-27, МиГ-29 и их последующих модификациях, выполнили только задачу целеуказания.
Рис. 1. Нашлемная система целеуказания «Сура»
Нашлемная система целеуказания «Сура» представлена на рисунке 1.
Применение НСИ позволяет:
— повысить боевую эффективность и живучесть;
— осуществлять прицеливание непрерывно — куда бы ни смотрел пилот, поэтому пуск может быть произведен раньше;
— атаковать цель с любого направления, для этого не обязательно разворачивать на нее самолет;
— повысить скрытность, т. к. можно подходить к цели с любого направления, не требуются дополнительные маневры для нацеливания;
— атаковать в ночных условиях более результативно;
— улучшить осознание пилотом положения в пространстве, повысить безопасность;
— контролировать угловое положение самолета не только тогда, когда пилот смотрит в кабину или вперед, а постоянно;
— в условиях плохой видимости и ночью наблюдать за рельефом;
— уменьшить нагрузку на пилота, т. к. перечисленные выше задачи решаются проще, чем с использованием традиционных средств индикации.
В сухопутных войсках ВМФ НСИ не применяется. В проведенном исследовании вопроса применения видеоокулографии (айтрекинга) аналогов ни в России, ни за рубежом не обнаружено.
В настоящее время все системы стабилизации оружия и линии визирования прицела в различного рода объектах ВВСТ работают по сигналам
от какой-либо гироскопической системы, которая может быть встроена в прицел с силовым или следящим приводом зеркал, либо от гироцентра-ли. При этом наведение линии визирования на цель производится от пульта управления за счет поворота его рукояток и вращения вокруг оси, либо от кнюпельного пульта. Сигналы от пульта управления, пропорциональные углу поворота рукояток или пульта, поступают в блок стабилизации напрямую, либо через вычислитель. При движении объекта по пересеченной местности добиться устойчивого положения оператора достаточно проблематично, а значит, возможны несанкционированные повороты пульта и его рукояток, поэтому точное наведение на цель, выработка углов упреждения и прицеливания во многом зависят от квалификации оператора и устойчивости его положения в объекте ВВСТ.
Таким образом, прицеливание по положению зрачка оператора с использованием видеоокуло-графии в ВВСТ является актуальной задачей и позволит дополнить применяемую в данном объекте систему управления огнем (СУО).
В результате проведенных на сегодня исследований:
1. Подтверждена возможность разработки без-нашлемной системы наведения по положению зрачка глаза оператора ВВСТ, а также выделения полезного сигнала, управляющего штатной системой наведения прицела (прибора наблюдения) объекта ВВСТ.
2. Проведена разработка и оценка алгоритма работы, быстродействия и точности оптико-электронной системы, обеспечивающей прицельную стрельбу по положению глаза оператора, в сравнении с работой оператора ВВСТ в штатном режиме (от пульта управления).
3. Проведены стендовые и натурные исследования демонстрационного макета оптико-электронной системы, обеспечивающей прицельную стрельбу по положению глаза оператора, в результате которых подтверждена работоспособность демонстрационного макета, в результате которых подтверждена возможность обеспечения погрешности наведения прицельной марки прицела (прибора наблюдения) на цель не более 1 угл. мин).
Алгоритмы определения положения зрачка широко известны [1, 2]. Основным недостатком таких систем является долгая калибровка по 5 и более точкам, с применением полиноминальной регрессии вида:
3
2
= а0 + а^ + а 2-Х + аз у ;
2
5у = Ъ0 + ЪуХ + Ъ2уу + ¿3Х у,
0,25—0,4 м
Рис. 2. Расположение системы отслеживание положения зрачка и головы
где яХ, Sy — координаты положения ц ентра зрачка в плоскости монитора; х, у — координаты центра зрачка в плоскости фотоприемного устройства.
Минимальное время калибровки по пяти точкам составляет около 9 с. В боевом режиме это значение довольно значительное и приводит к отказу подобной системы в сторону имеющихся средств наведения (ручной режим, АСЦ).
В нашей работе предлагается калибровка по одной точке, время калибровки по результатам испытаний составило 3 с, но значение м ожет быть снижено путем применения высокопроизводительной электроники.
Исследования проводились при стационарном положении головы, но в настоящее время проводится работа по компенсации качки головы и неизменном направлении взгляда в определен-
ную точку. За основу взяты существующие алгоритмы [1, 3] компенсации качки головы и определения пространственного ее положения.
Принципиальная схема демонстрационного макета приведена на рисунке 2.
В результате экспериментов выражения (1) были упрощены с целью выполнения калибровки по одной точке.
Для этого была выполнена калибровка по пяти точкам для разных операторов при неподвижном положении головы. Результаты вычисленных значений коэффициентов приведены в таблицах 1 и 2.
Из приведенных таблиц видно, что существенное влияние на результат уравнений оказывают коэффициенты а1 и Ъ2.
Поскольку в результате прицеливания необходимо создать разность координат относительно центральной марки, выражения для определения положения зрачка в плоскости монитора примут вид:
- £ = \кг(х1 - Хц) + 400|, Бу - Бу = \кв(ут - уц) + 300\,
(2) (3)
где кг, кв — коэффициенты по горизонту и вертикали; 400, 300 — половинные значения разрешения монитора; х1, ут — координаты текущего положения зрачка в плоскости фотоприемника; Хц, уц — координаты положения зрачка при направлении взгляда в центр экрана монитора.
Для вычисления коэффициентов оператору необходимо посмотреть в три точки: централь-
Значения коэффициентов щ
Таблица 1
Коэффициент Оператор 1 Оператор 2 Оператор 3 Оператор 4 Оператор 5
ао 187,881 -324,069 -261,349 -442,326 -391,857
а1 -13,175 -14,011 -15,926 -10,832 -10,271
а2 -0,697 -10,164 -8,624 -15,765 -13,786
а3 -8,872-10-3 -0,032 -0,029 0,051 0,062
а4 0,021 0,019 -8,975-10-3 0,038 0,022
а5 -6,856-10-5 -0,068 -0,052 -0,106 -0,089
Значения коэффициентов Ъг
Таблица 2
Коэффициент Оператор 1 Оператор 2 Оператор 3 Оператор 4 Оператор 5
Ъ0 915,775 856,432 1018 1235 1110
Ь1 -0,903 -4,204 -2,073 -0,91 -2,738
Ъ2 15,857 14,03 19,02 19,889 15,474
Ъ3 -9,289-10-3 -0,046 -0,01 -0,018 -0,034
Ъ4 -7,411-10-4 -8,229-10-3 6,824-10-3 0,042 0,019
Ъ5 0,033 0,015 0,034 0,041 0,012
ную верхнюю точку экрана монитора, центральную и правую центральную точку экрана монитора (при эксплуатации конечного устройства данную операцию выполнять не требуется).
Коэффициенты кг = 11, кв « 11 вычислены на расстоянии 250 мм и подходят практически для любого типа глаз.
Таким образом, когда оператор располагается перед экраном монитора, алгоритм определения 3Б-положения головы определяет расстояние от экрана монитора до головы. При этом автоматически вычисляются коэффициенты кг, кв.
При неподвижном положении головы оператор смотрит в центр экрана около 3 с. Результатом является отображение направления взгляда на экране монитора. При отклонении головы от первоначального положения вступают в работу известные алгоритмы компенсации качки головы на разумное отклонение, вычисление расстояния от головы до экрана и осуществляется пересчет коэффициентов кг, кв. Очевидным является факт,
чем дальше расположение до монитора, тем выше коэффициенты и тем самым ниже точность позиционирования положения зрачка на экране монитора.
Выводы
Предложенная оптико-электронная система наведения и способ ее калибровки позволяют улучшить существующие гражданские айтрекеры, а также дополнить существующие системы управления огнем бронетанковой техники с точностью наведения и удержания ц ели около 1 угл. мин при максимальном увеличении штатного прицела и минимальном времени калибровки.
Также следует отметить, что при осуществлении доработки компенсации непроизвольного движения головы возможно удерживать цель без включения штатного стабилизатора, используя только «человеческий» стабилизатор глаза при удержании взгляда на объекте.
Список литературы
1. Матвеев И. А. Методы и алгоритмы автоматической обработки изображений радужной оболочки глаза. (05.13.11 Математическое и программное обеспечение вычислительных машин комплексов и компьютерных сетей): диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук, Москва, 2014. — 290 с.
2. Захаров А. А. Модели и алгоритмы определения положения и ориентации головы человека по видеоизображениям с использованием графов / А. А. Захаров, А. Е. Баринов, А. Л. Жизняков; Владимирский государственный университет А. Г. и Н. Г. Столетовых. — Владимир: Изд-во ВлГУ, 2019. — 124 с.
3. Adam Strupczewski, M. Sc. Commodity Camera Eye Gaze Tracking. Ph. D. Thesis. Warsaw, 2016. — 203 c.
4. Andrew Duchowski. Eye Tracking Methodology. Theory and Practice. Second Edition. Springer, 2007 — 335 c.
5. Yanf Fu. Regression Based Gaze Estimation with Natural Head Movement. A thesis in the department of Electrical and Computer Engineering. Presented in Partial Fulfillment of the Requirement for the degree of master of applied science at Concordia University. Montreal, Quebec, Canada, 2015. — 87 p.
