Тестирование сканирующих информационных систем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

УДК 775

ТЕСТИРОВАНИЕ СКАНИРУЮЩИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Т. А. Акименко, Е.В. Ларкин, Н.А. Рудианов

Исследуется вопрос тестирования сканирующих информационных систем мобильных роботов. Показано, что тестирование может быть проведено по принципу сравнения выходного сигнала информационной системы с виртуальным эталоном. Описан общий подход к созданию виртуального эталона. Определено, что при тестировании контролируются статические и пространственно-динамические характеристики сенсоров. Приведены требования к элементам тест-объекта, предназначенным для контроля статических и пространственно-динамических характеристик.

Ключевые слова: сканирующая информационная система, сравнение с эталоном, пространственные координаты, статические характеристики, пространственно-динамические характеристики, разрешение.

Одним из важных условий надежной эксплуатации сканирующих информационных систем мобильных роботов является периодический контроль параметров и характеристик технических средств [1, 2, 3]. Поскольку в процессе эксплуатации мобильные роботы подвергаются различного рода физическим и химическим воздействиям, параметры компонентов как передаточных звеньев информационных потоков меняются. При этом система технического зрения относятся к числу информационных систем, у которых любой компонент так или иначе влияет на качество передачи информации.

Общепринятый принцип контроля информационных систем показан на рис. 1.

В соответствии с принципом контроля:

1) формируется эталонный тестовый сигнал 5т(У, 2, 1), в приложении к информационным системам тестовым сигналом может служить тест-объект, представляющий собой эталонное изображение, нанесенное на эталонный носитель;

2) эталонный тестовый сигнал 5х(7, 2, 1) подается на входы реальной и эталонной систем, которые в результате функциональных преобра-зований7р(5т) и/3(5т) формируют сигналы 5Р и БЭ, соответственно;

3) определяется ошибка в виде нормы разности сходных характеристик сигналов на выходах реальной и эталонной систем:

е = ||Л(5з) - Л(5Р)||, (1)

где Л(^з) и Л(^р) - ^-мерный вектор характеристик сигнала, вычисляемых как его векторная функция;

4) величина ошибки сравнивается с порогом еП, и в случае, если е £ еП, то тестируемая сканирующая система признается годной для дальнейшей эксплуатации;

5) в случае, если е > еП, то принимается решение о настройке или полном прекращении эксплуатации контролируемой сканирующей системы.

Рис. 1. Контроль сканирующих информационных систем

К норме (1) применяются следующие требования:

1) функция ||Л(5Э) - Л(5р)|| должна быть неотрицательной, т.е. ||Л(53)

- А(&)|| > 0;

2) функция ||Л(5Э) - h(SР)|| = 0 тогда и только тогда, когда 53 = £Р;

3) функция является симметричной, т.е. 11Л(53) - h(SР)|| = ||Л(5Р) -

^з)||;

4) для функции 11Л(53) - Л(5Р)11 выполняется свойство | |Л(53) - Л(5Р)11 £ 11Л(53) - Л(50)| | + 11Л(50) - Л(5Р)| |, где 50 - некоторый сигнал.

Наиболее часто в качестве нормы применяются выражения суммы квадратов расстояний

К

е = I [Ь (53)- Ь (5р )]2 (2)

к=1

или взвешенной суммы квадратов расстояний

K о

е= Ick (Sэ)-hk^р)]2, (3)

k=1

где 0 £ Ck £ 1 - «вес» ^й характеристики сигнала в общей оценке;

Х^ =1. (4)

k=1

Система, проводящая преобразование /^т), может быть реальной физической системой, например, эталонный сканер из заданного класса сканеров, или она может быть реализована в виде виртуальной системы на ЭВМ, в которую вводится виртуальный тест-объект [4].

Для реализации виртуальной системы необходима ее имитационная модель, по которой может быть произведена оценка основных параметров сканирования. Эта модель должна включать две составляющие: модель статических геометрических преобразований эталонного сигнала и модель, описывающую пространственную динамику преобразований, приводящую к потерям разрешения сенсора.

Для тестирования статических характеристик сканирующих устройств используются геометрические соотношения, вытекающие из особенностей конструкции исследуемых элементов сканирующей системы. При этом модели должны строиться в следующих системах координат: система координат предметной плоскости хОух и система координат ХО/У2, связанная с фотоэлектронным преобразователем. В предметной плоскости эталонной системы центр О располагается в центре входного зрачка объектива, ось х проходит через центр тест-объекта, оси у и х должны совпадать с соответствующими осями тест-объекта [5, 6].

В плоскости изображений ось Х совпадает с главной оптической осью объектива и направлена от фотоэлектронного преобразователя к объективу, ось У проходит через центры фоточувствительных ячеек фотоэлектронного преобразователя, и ее направление совпадает с направлением опроса ячеек при электронном сканировании, ось 2 перпендикулярна осям Х и У и образует с ними правую систему координат.

Плоскости Оух расположения тест-объекта и О/АУ2 расположения фотоэлектронного преобразователя являются параллельными. Если точка А помещена в системе координат в точку с координатами (0, уа , ?а ), то в соответствии с законами геометрической оптики координаты проекции определяются по зависимости

(0, Уа , ) = т (0, УА , *А ) = / (0, УА , *А ) = / (0, Уа, ), (5)

где Ь - задний отрезок объектива; Ь - передний отрезок объектива; /- задний фокус объектива;передний фокус объектива.

Из точек А должны складываться простые фигуры (круг, прямоугольник, правильный треугольник и т.п.), координаты характерных точек которых в системе хОух должны определяться по простым зависимостям. В соответствии с выражением (5) эти координаты должны пересчитывать-ся в координаты образов эталонных фигур, а затем параметры тест-объекта и сформированного образа должны сравниваться в соответствии с зависимостями (2) - (4).

Другой тестируемой характеристикой сканирующих информационных систем является свет-сигнальная характеристика, т.е. зависимость приращения значений выходного сигнала от приращения значений отражательной способности (оптической плотности) тест-объекта. Контроль подобной характеристики осуществляется путем построения оптического клина и набора статистики по измерению различных градаций отражательной способности (оптической плотности) [7].

Исследование пространственной динамики преобразований сигнала в сканирующих системах связано с решением дифференциальных уравнений вида

Е (ф( у, х), Е (У, 2), УЕ (У, 2), V 2 Е (У, 2 ),...)= 0, (6)

где ф( у, х) - оптический сигнал в предметной плоскости; Е (У, 2) - оптический сигнал в плоскости расположения фотоэлектронного преобразователя;

У =

АЭ Э ^ г-,2

г

VЭУ'Э2У

Э2 Э:

ЭУ 2 Э2 2

Для решения дифференциальных уравнений существует метод Ко-ши. Согласно этому методу уравнение (6) заменяется на алгебраическое уравнение с помощью применения к правой части равенства (6) интегрального преобразования вида

у, ш г )=

= | (ф(у,г),Е(У,2),УЕ(У,2),V2Е(У,2),...)ф(У,2,Шу,Шг)1Уй2 = 0, (7)

— ¥ —¥

где ф(У, 2, Ш у, Ш г) - двумерная базисная функция, называемая ядром преобразования; Шу, Ш 2 - пространственные частоты сигнала по координатам У и 2 соответственно; у,Шг) - пространственный спектр сигнала по базису ф(У, 2, Ш у, Ш 2).

После разрешения получившегося алгебраического уравнения относительно Е (юу, юг) с помощью обратного преобразования

103

¥ ^ / ч , ч

E(Y, Z ) = | | E(vy, V г )ф-1 (Y, Z, Шу , V z JdШydШ,

(8)

где ф 1 (Y, Z, V у , V z) - ядро обратного преобразования, определяется вид сигнала E ^, Z).

Наиболее часто в качестве ядра прямого и обратного преобразования используются гармонические функции вида

ф^,Z,юу ,ю )= -^ехр(- 7'юyY - jWzZ);

2р

у^

ф-1 (Y, Z, ю у, ю z) = ехр(/ю yY + jWzZ),

(9) (10)

2р

2р

/---/я /я

где j = л/-1; юу =—,юz =--круговые пространственные частоты по

* п., п.

У

координатам Y и Z, соответственно; Пу , п2 - линейные пространственные

частоты в парах линий на миллиметр.

Для проверки пространственной динамики сканирующих информационных систем формируется тестирующий сигнал, в той или иной мере воспроизводящий гармоническую функцию [8, 9, 10, 11], например, имеющий вид прямоугольной миры, изображенной на рис. 2.

7 2

Рис. 2. Эталонный сигнал миры (а) и результат его преобразования в сканере (б, в, г, д)

сю —сю

Мира располагается таким образом, чтобы сканирование осуществлялось строго поперек штриха миры. Мира должна иметь максимальный контраст. Шаг и ширина миры должны быть строго заданы, например, штрихи должны иметь ширину 2Т и расположены с шагом 4Т. Эталонный сигнал миры в направлении сканирования представляется выражением

1

б(У,2)=[л(У + и) — л(У — и)]- I[ц(2 — Т — 4пТ) —я(2 — 3Т — 4пТ)], (11)

п=—2

где л(.) - единичная функция Хевисайда; 2 и - длина штриха.

Выходной аналоговый сигнал сканера определяется интегралом свертки эталонного сигнала (11) с суммарным импульсным откликом канала измерения модулирующего фактора и имеет вид

1

Э(У,2)=[С(У + и)—С(У — и)]- I[£(2 — Т — 4пТ)— £(2 — 3Т — 4пТ)]. (12)

п=—2

Функция £(У, 2) имеет вид интеграла

0(У, 2 ) = -^ | $ ехр

2 У

С

2кЬд

Ху + Х 2 2Ьд

¿Ху^Х 2, (13)

где Ьд - параметр, определяющий пространственную динамику тестируемой системы.

Вид функции (12) для различных соотношений Ьо/Т приведен на

рис. 2, б (ь0/Т = 2—32), в (ь0/Т = 2—1), г (ь0/Т = 2—12), д (Ьс/Т = 1).

Как следует из приведенных графиков, увеличение соотношения параметра Ьо/Т приводит к уменьшению глубины модуляции изображения миры. Если соотношение (Ьо/Т = 2—32), то геометрическая близость штрихов практически не сказывается на глубине модуляции. Изображение на рис. 1, д с соотношением (Ьо/Т = 1) практически не имеет пространственной модуляции. Среднее значение порога, обеспечивающего обнаружение перепада освещенности, равно ~ 6,3 %. Для устойчивой идентификации необходимо, чтобы глубина модуляции составляла 3 - 4 пороговых значений перепада. Поэтому пороговое значение перепада должно составлять около 25 % (в соответствии с критерием Релея, провал между пиковыми значениями изображения точечного источника должен составлять около 27 %).

При идентификации динамических передаточных характеристик следует учитывать, что радиальное (тангенциальное) и сагиттальное разрешение в реальной оптической системе может существенно различаться.

СЮ —сю

Кроме того, существенно может различаться разрешение в центре и по краям поля зрения сканера, а также по координатам Y и Z. Это приводит к необходимости, во первых, вводить в миру штрихи, расположенные под углами 0, 90, ±45°, во-вторых, размещать миру в центре и по краям поля зрения тестируемой системы, а в третьих, использовать миры с различными частотами расположения штрихов.

Список литературы

1. Аршакян А.А., Ларкин Е.В. Наблюдение целей в информационно-измерительных системах // Сборник научных трудов Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами «СУЭТО-6». Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С.222 - 225.

2. Горшков А. А., Ларкин Е.В. Расчет наблюдаемой площади в системе с множеством видеокамер // Фундаментальные проблемы техники и технологии. Орел: ГУ УНПК, 2012. № 4. С. 150 - 154.

2. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Определение соотношения сигнал-шум в системах видеонаблюдения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 3. С. 168 - 175.

3. Аршакян А. А., Клещарь С.Н., Ларкин Е.В. Оценка статических потерь информации в сканирующих устройствах // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С. 388 - 392.

4. Талалаев А.К., Ларкин Е.В. Оценка информационной отказоустойчивости микрофильмов // Известия Тульского государственного университета. Вычислительная техника. Информационные технологии. Системы управления. Вып. 2. Т. 1. Информационные технологии. Тула: ТулГУ, 2004. С. 164 - 169.

5. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Оценка координат точечных источников сигналов // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2013. Вып. 2. С. 3 - 10.

6. Будков С.А., Ларкин Е.В. Определение пространственного положения рабочего органа // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 10. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. С.197 - 203.

7. Гаврилин А.П., Ларкин Е.В. Гистограммный анализ микрофильмов // Современные информационные технологии, методы и средства создания и использования единого российского фонда документации: материалы III Общероссийской научно-практической конференции. М.: Изд-во «Академия естествознания», 2007. С. 119 - 129.

8. Аршакян А.А., Будков С.А., Ларкин Е.В. Математические модели точечных источников сигнала в полярной системе координат // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып. 10. С. 163 - 168.

9. Аршакян А. А., Ларкин Е.В. Частотные характеристики фильтров, выделяющих гармонические составляющие // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. С. 194 - 201.

10. Гаврилин А.П., Ларкин Е.В. Оценка качества микрофильмированной информации с применением частотного метода // Математические методы в технике и технологиях: сборник трудов XIX Международной научной конференции ММТТ-19. Т.8. Воронеж: Воронеж. гос. технол. акад, 2006. С. 95.

11. Ларкин Е.В. Передаточные функции оптико-электронных систем // Интеллектуальные и информационные системы: материалы Всероссийской научно-технической конференции «Интеллект-2009». Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. С. 157 - 159.

Акименко Татьяна Алексеевна, канд. техн. наук, доц., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ларкин Евгений Васильевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Рудианов Николы Александрович, канд. техн. наук, докторант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет

TESTING OF INFORMATIONAL SCANNING SYSTEMS T.A. Akimenko, E.V. Larkin, N.A. Rudianov

Question of testing of informational scanning systems of mobile robots is investigated. It is shown that testing may be done by means of comparison of output signal of system under control with virtual reference. Common approach to design of reference signal is described. It is defined that during testing static and space dynamic characteristics od sensors ore controlled. Demands to test-objects for control of static and space dynamic characteristics are presented.

Key words: informational scanning system, comparing with reference signal, space coordinates, static characteristics, space-dynamic characteristics, resolution.

Akimenko Tatiana Alekseevna, candidate of technical sciences, docent [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Larkin Eugene Vasilyevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Rudianov Nikolay Alexandrovich, candidate of technical sciences,person working for doctor's degree, [email protected], Russia, Tula, Tula State University

107