CC BY
68
УДК 681.7:004
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Евгений Владимирович Грицкевич
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оп-тотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Лилия Александровна Евдокимова
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Александр Александрович Немогучев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Мария Викторовна Адольф
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы создания программно-технического комплекса для автоматизации исследований и проведения виртуальных испытаний современных некогерентных систем технического зрения широкого применения на базе матричных фотоприемников.
Ключевые слова: изображение, имитационное моделирование, цифровая обработка, система технического зрения, матричный фотоприемник.
DEVELOPMENT OF THE SOFTWARE-TEHNICAL COMPLEXES FOR SISTEMS OFRESEACH TECHNICAL VISION
Evgeny V. Gritskevich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associate Professor at the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Liliya A. Evdokimova
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Alexandеr A. Nemoguchev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Maria V. Adolf
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of nanosystems and optical engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: [email protected]
Questions of creation of a software and hardware complex for automation of researches and carrying out virtual tests of modern incoherent systems of technical sight of broad application on the basis of matrix photodetectors are considered.
Key words: image, imitating modeling, digital processing, system of technical sight, matrix photodetector.
Оптико-электронные приборы (ОЭП) широко используются в повседневной жизни. За последние три десятилетия традиционные оптические средства измерения и контроля трансформировались в компьютеризированные контрольно-измерительные комплексы с элементами искусственного интеллекта, которые позволяют проводить селекцию объектов измерения по заранее заданным признакам без непосредственного участия оператора. Особенно актуально применение методов оптико-электронного контроля, измерений и наблюдения в условиях, когда присутствие человека в изучаемом процессе нежелательно или невозможно (опасная, агрессивная среда, подземные коммуникации, подводный мир, космическое пространство). Соответственно, возрастает потребность в развитии средств и методов анализа качества и эффективности применения ОЭП.
В настоящее время ведется разработка автоматизированного стенда для исследования ОЭП на базе матричных фотоприемников. Изображения с матрицы вводятся в компьютер для последующей цифровой обработки. Оператор наблюдает получаемую картину на экране монитора и задает требуемые параметры измерения. Сами же измерения выполняются автоматически. Искажения в изображении, возникающие за счет шумов и дискретности растра, сглаживаются известными интерполяционными методами. Погрешность измерения при этом уменьшается в несколько раз, она перестает зависеть от субъективных факторов, время измерения сокращается многократно. Появляется возможность архивации результатов измерений вместе с картинами, к которым они относятся, для последующей статистической обработки.
Комплекс будет иметь модульный принцип построения, позволяющий быстро «складывать» (генерировать) на компьютере требуемую структуру прибора из дискретных блоков - моделей отдельных звеньев оптико-электронного тракта (ОЭТ) системы технического зрения (СТЗ). Модульность обеспечит возможность постоянного обновления используемой элементной базы по мере технологического прогресса. Базовая структура комплекса показана на рис. 1.
Ниже рассмотрено назначение каждого блока структуры.
Измерительные системы. Имитационное компьютерное моделирование ОЭП позволяет решать задачи согласования звеньев, имеющих различную фи-
зическую природу. Примером такого согласования может служить минимизация погрешностей измерения оптико-электронного координатора за счёт взаимной корректировки параметров фотоприемной матрицы и объектива. В модели генерируется входное воздействие в виде светящейся точки с заданными координатами. Рассчитывается распределение освещенности в плоскости матрицы. Моделируется процесс накопления зарядов в элементах фотоприемника с учетом внутренних шумов последнего. Затем проводится цифровая обработка матрицы отсчетов и определяются координаты объекта. Эти координаты сравниваются с заданными, и вычисляется погрешность измерения. С помощью рассматриваемой модели проводились исследования зависимости погрешности измерения от радиуса кружка рассеяния. Предполагается осуществить переход к многомерной параметрической оптимизации с учетом вибраций измеряемого объекта, измерительного прибора и инерционных характеристик (времени накопления) фотоприемного устройства.
Рис. 1. Базовая структура программно-информационного комплекса
Оптико-физические исследования. В настоящее время методики экспериментального определения качественных параметров и характеристик ОЭТ СТЗ основываются на вводе в оптический канал штриховых мир. Затем, по результатам измерений параметров выходных изображений этих мир осуществляется пересчет, например, в предельное разрешение системы, или в её частотно-контрастную характеристику (функцию передачи модуляции - ФПМ). Процесс измерения является трудоемким и, практически, не поддается автоматизации, требует применения достаточно габаритного стационарного лабораторного оборудования.
Предлагается создавать на входе прибора интерференционную картину, которую можно легко видоизменить. Особенностью таких входных сигналов является их априорная аналитическая детерменированность. Эти сигналы являются квазигармоническими, что позволяет достаточно просто отслеживать изменения и искажения гармоник в оптико-электронном тракте с целью последующего расчета объективных критериев качества испытуемого прибора в автоматическом режиме по результатам компьютерной обработки изображений.
Ввод реальных эталонных тестовых изображений в ЭВМ существенно расширит возможности имитационного компьютерного моделирования при автоматизированном проектировании ОЭС и комплексов. Имитационное компьютерное моделирование ОЭС предполагает первоначальную генерацию на входе модели виртуальных оптических сигналов - входных воздействий. Вопрос выбора входных виртуальных воздействий не является тривиальной задачей, так как всегда остаются сомнения в адекватности модельного представления этих воздействий реальным условиям работы исследуемого прибора, и, как следствие, в правдоподобности получаемых при моделировании результатов. Применение в качестве исходных сигналов физически реально существующих интерференционных картин снимает данную проблему, так как вид этих картин достаточно точно можно описать аналитически. Также снимается вопрос о проверке адекватности виртуальной модели своему материальному прототипу, поскольку установление адекватности проводится по одним и тем же входным сигналам (физическим и аналитическим).
Появляется возможность оптимальной компьютерной коррекции аппаратной (передаточной) функции моделируемого прибора по виду выходной картины, которая получается в процессе моделирования. Осуществляя внутри модели определенные преобразования с помощью процедур цифровой обработки изображений, можно добиться достижения требуемых критериев качества в выходных сигналах. Это обеспечит возможность при создании физических образцов вводить в приборы программируемые электронные компоненты, осуществляющие наперед заданную коррекцию передаточных свойств ОЭТ.
Создание автоматизированного стенда для проведения оптико-физических исследований позволит не только решить задачу автоматизации оптико-физических измерений, но и обеспечит базу для развития компьютерных методов «виртуальных» испытаний систем визуализации, их настройки, проверки и аттестации, получения метрологических характеристик и параметров.
По-сути, речь идет о создании виртуально-экспериментальной метамодели ОЭТ системы визуализации. Такая метамодель в дальнейшем может использоваться для исследования реальных систем, а так же их оптимизации. Процесс построения метамодели и её использования схематично показан на рис. 2.
Обучающая система и система информационно-поисковой поддержки предполагает наличие программных модулей обеспечивающих методологическое сопровождение процессов функционирования комплекса и включает в себя, кроме обучающих модулей, справочный материал, позволяющий оперативно получать информацию, требуемую при работе с комплексом.
Рис. 2. Построение метамодели СТЗ
© Е. В. Грицкевич, Л. А. Евдокимова, А. А. Немогучев, М. В. Адольф, 2015
