CC BY
706
ОПТИКА, ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 681.7:004
ВИРТУАЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ
Евгений Владимирович Грицкевич
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8913-798-15-60, e-mail: [email protected]
Дмитрий Александрович Скворцов
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, инженер кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8913-396-32-35, e-mail: sda1985 @yandex. ru
Павел Олегович Гептнер
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, студент СГГА, тел. 8903-905-57-01, e-mail: [email protected]
Ольга Юрьевна Проценко
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотно-го, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники СГГА, тел. 8953-789-55-51, e-mail: [email protected]
Рассмотрена возможность автоматизации оптико-физических исследований с помощью лабораторного измерительного стенда, выполненного на базе телевизионной камеры, сопряженной с компьютером. Вводимое в компьютер изображение подвергается цифровой обработке, благодаря чему повышается точность измерений и уменьшается время выполнения процедуры измерения. Кроме того, появляется возможность создания имитационной модели системы технического зрения для проведения ее виртуальных испытаний.
Ключевые слова: изображение, измерение, цифровая обработка, автоматизация, имитационное моделирование, система технического зрения.
VIRTUAL TESTING OF VISION SYSTEMS
Eugenue W. Gritskewich
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Ul., Ph.D., lecturer, tel. 8913-798-15-60, e-mail: [email protected]
114
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Dmitry A. Skvortsov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Ul., engineer, tel. 8913-396-32-35, e-mail: [email protected]
Pavel O. Geptner
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Ul., undergraduate, tel. 8903-905-57-01, e-mail: [email protected]
Olga Y. Procenko
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Ul., graduate, tel. 8953-789-55-51, e-mail: [email protected]
The possibility of automated optical-physical researches with the help of laboratory measurement equipment, which is made on the basis of a television camera connected with computer, is discussed. Image, which is entered into a computer, is digital processing, so measurement accuracy increases and the time of measurement is reduced. In addition, the possibility appears to create a simulation model of the machine vision systems for virtual testing.
Key words: image, measurement, digital processing, automation, simulation, machine vision system.
Оптико-электронные приборы широко используются в повседневной жизни и стали неотъемлемыми элементами современного общества. 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, принимать решение о значимости объекта и, соответственно, необходимости измерения его параметров.
Оптико-электронные приборы в настоящее время широко используются в медицине (тепловизоры, оптоволоконные датчики для внутриполостного визуального исследования органов, офтальмологические приборы, датчики для экспресс-анализа биологических жидкостей и т. п.). В нефтяной, газовой и химической промышленности, в строительстве, жилищно-коммунальном комплексе современные оптико-электронные приборы применяются для дистанционного контроля возможных утечек сырья, продуктов производства и тепла. 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).
Особое место в оптико-электронном приборостроении традиционно занимают системы военного назначения. Строго говоря, в настоящее время невозможно четко разделить сферы военного и гражданского применения оптикоэлектронных систем, так как задачи, решаемые этими системами, во многих случаях являются схожими: обнаружение требуемого объекта на некотором фоне, его идентификация, обеспечение наблюдения динамики его поведения,
115
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
измерение параметров. Но конечные цели решения этих задач в военных и гражданских приложениях оптико-электронного приборостроения кардинально различаются.
Существенные изменения претерпели и средства отображения визуальной информации. Повсеместно для этих целей сейчас используются жидкокристаллические экраны. Практически реализованы так называемые виртуальные экраны, позволяющие наблюдателю наиболее комфортно визуально анализировать предъявляемые ему изображения. В обоих случаях в поле изображения может выводиться и служебная информация, которая обеспечивает процессы измерений и наведения.
Современные оптико-электронные приборы могут работать одновременно в нескольких спектральных диапазонах [1, 2]. Информация, получаемая в каждом диапазоне, взаимно дополняет информацию, поступающую в другом диапазоне, что позволяет, в конечном итоге, повысить объективность выходной информации. В измерительных приборах это приводит к повышению точности измерений, а в приборах наблюдения - к увеличению информации, содержащейся в выходном изображении, и, в конечном итоге, к лучшей дешифрируе-мости картины, предъявляемой наблюдателю для анализа. Использование измерительных и визуальных каналов в одном приборе позволяет совмещать процедуры наблюдения, контроля и измерения как в пространстве, так и во времени.
Традиционные методы исследований оптико-физических явлений основаны на визуально-механических процедурах, предусматривающих последовательное наведение измерительной марки на реперные точки анализируемого изображения. Примером последнего может служить интерференционная картина, а измеряемым параметром - пространственный период чередования полос. Измерения проводятся линейкой на проекционном экране либо с помощью окуляр-микрометра в плоскости действительного изображения. В настоящее время для этих же целей часто применяется ТВ-камера с жестким растром, а изображение интерференционной картины выводится на экран монитора. В качестве перекрестия окуляра используется курсор, а наведение на реперные точки осуществляется с помощью манипулятора «мышь». Иногда для целей измерения на экран выводится «виртуальная» линейка. Такое сочетание ТВ-камеры и компьютера не является эффективным. Во-первых, процесс измерения по-прежнему остается визуально-механическим и субъективным. Во-вторых, элементы разложения изображения имеют конечный размер, что ограничивает точность измерений аппаратно.
В настоящее время ведется разработка автоматизированного стенда для проведения подобных измерений 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,
116
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
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.
При полихроматическом входном сигнале точность измерений может быть повышена за счет использования цветных фильтров для R, G и B-составляющих, которые устанавливаются в современных фотоприемных матрицах на каждом элементе растра. Соответственно, на выходе могут быть получены 3 монохромных изображения, отличающихся друг от друга. Обрабатывая эти изображения по отдельности, можно уточнить измеряемые параметры, не зависящие от длины волны.
Создание автоматизированного стенда для проведения оптико-физических исследований не только позволит решить задачу автоматизации оптикофизических измерений, но и обеспечит базу для развития компьютерных методов «виртуальных» испытаний систем визуализации, их настройки, проверки и аттестации, получения метрологических характеристик и параметров. В качестве входных тестовых (эталонных) сигналов можно использовать формируемые искусственно интерференционные картины с наперед заданными параметрами. Особенностью таких сигналов является их стационарность, квазигармонический характер, простота и точность аналитического описания, повторяемость от эксперимента к эксперименту. Измеряя параметры выходных откликов таких сигналов, можно достаточно точно рассчитать передаточные характеристики анализируемой системы. Более того, по виду выходного изображения можно задать стратегию улучшения качества системы посредством цифровой обработки сигналов и выбрать оптимальные алгоритмы такой обработки.
Области применения разрабатываемого программно-технического комплекса схематично представлены на рис. 1.
Рис. 1. Области применения программно-технического комплекса
В сфере образования предполагается реализация стенда для трех уровней сложности, как это показано на рис. 2.
117
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Рис. 2. Уровни сложности комплекса для решения задач образования
Программно-технический комплекс обеспечит решение следующих задач в образовательной области.
1. Перевод лабораторных работ по оптическим разделам общей физики на современный информационно-технологический уровень, обеспечивающий автоматизацию процессов измерения, обработки результатов, подготовки отчетности, тестирования знаний студентов (учащихся) при допуске и защите лабораторных работ. Это повысит «интересность» лабораторного практикума, эффективность и глубину усвоения изучаемого материала за счет сокращения рутинной вычислительно-оформительской работы, обеспечит отход от традиционной схемы бригадного принципа выполнения работ.
2. Адаптация комплекса с целью создания облегченного варианта лабораторных работ по общей физике предполагает проведение для школьников открытых уроков и других мероприятий с широким использованием видеоинсталляций и анимации.
3. На базе комплекса возможна реализация «сквозной» технологии обучения студентов. Результаты лабораторных работ, полученные на первых курсах, будут использоваться на старших курсах при изучении специальных дисциплин в качестве исходных данных. Это позволит устранить междисциплинарную «разорванность» учебного процесса и создаст реальную преемственность при переходе от общеобразовательных к специальным предметам.
Таким образом, изучение оптических разделов общей физики на 1-2 курсах станет базой для дальнейшего обучения студентов по таким дисциплинам, как «физическая оптика», «оптические измерения», «системы технического зрения», «источники и приемники оптического излучения», «обработка изображений», «компьютерное моделирование процессов и систем» и др.
4. Создание основы для разработки комплексных мультимедийных обучающих видеопрограмм, включающих в себя лекционные занятия с использованием интерактивных досок, индивидуальных рабочих мест (ПК локальной сети), автоматизированных лабораторных установок. Здесь предполагается непосредственно личное активное участие преподавателя в учебном процессе.
118
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
5. Адаптация комплексных методик (см. п. 4) к виртуальным методикам для самостоятельного изучения материала (электронные учебные пособия). Представляет особый интерес разработка виртуальных лабораторных работ по оптическим разделам физики в режиме реального времени. Целесообразно использовать методы имитационного стохастического моделирования с применением реально полученных изображений, которые будут находиться в генеральной базе данных.
6. Разработка средств и методов обучения, полностью ориентированных на работу удаленного пользователя в сети интернет в режиме реального времени. Предполагается использование диалоговых мультимедийных средств, проведение видеоконференций «учащийся - преподаватель», оперативное интерактивное тестирование и аттестация учащихся, фиксация и обработка результатов обучения.
На базе модернизируемых лабораторных работ можно разрабатывать современные автоматизированные методы измерений. Внедрение подобных методов в реальную практику метрологических измерений создаст потенциальные возможности для качественных изменений в тех разделах метрологии, которые базируются на использовании оптических методов.
Другим «метрологическим» направлением данных исследований является разработка средств и методов испытаний, тестирования и аттестации оптикоэлектронных систем технического зрения (СТЗ) различного назначения. В настоящее время количество применяемых средств видеонаблюдения, различных оптико-электронных измерительных комплексов, других СТЗ растет в геометрической прогрессии. В ближайшие годы произойдет внедрение в повседневную практику СТЗ для автоматического визуального распознавания (фэйс-контроль, отпечатки пальцев, прочие биометрические характеристики). Естественно, возникает проблема аттестации, тестирования, испытаний и экспрессконтроля этой аппаратуры.
В настоящее время методики экспериментального определения качественных параметров и характеристик оптико-электронного тракта 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 ее частотно-контрастную характеристику (функцию передачи модуляции). Процесс измерения является трудоемким и, практически, не поддается автоматизации, требует применения достаточно габаритного стационарного лабораторного оборудования. Рассматриваемый комплекс наилучшим образом отвечает решению задачи определения качественных параметров и характеристик СТЗ, поскольку основан на вводе в контролируемый оптический канал эталонных интерференционных или дифракционных картин с заранее заданными (рассчитанными) параметрами.
Ввод реальных эталонных тестовых изображений в ЭВМ существенно расширит возможности имитационного компьютерного моделирования при автоматизированном проектировании оптико-электронных систем и комплексов.
119
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Имитационное компьютерное моделирование оптико-электронных систем предполагает первоначальную генерацию на входе модели виртуальных оптических сигналов - входных воздействий. Затем моделируется сквозное прохождение этих сигналов через звенья оптико-электронного тракта, со входа системы на ее выход. По рассчитанным параметрам выходного изображения определяются критерии качества моделируемой системы. 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 же на входе модели реальных изображений, например, видеосюжетов или цифровых фотографий, вносит во входной сигнал аппаратные искажения и помехи за счет исходной аппаратуры, с помощью которой производилась съемка. Учесть эти помехи и искажения чаще всего не представляется возможным. Применение в качестве исходных сигналов физически реально существующих интерференционных картин снимает данную проблему, тем более, что 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).
Речь идет о создании виртуально-экспериментальной метамодели оптикоэлектронного тракта системы визуализации. Такая метамодель в дальнейшем может использоваться для исследования реальных систем, а также их оптимизации в виде компьютерной имитационной модели без проведения физических экспериментов. Такие эксперименты понадобятся только на заключительных этапах исследований для подтверждения адекватности результатов моделирования. Процесс построения метамодели и ее использования схематично показан на рис. 3.
В качестве виртуальных тестовых изображений на входе метамодели могут генерироваться те входные сигналы, для которых предназначена моделируемая система и которые позволяют по выходному отклику судить о степени достижения системой ее функциональных целей. Например, для систем визуального обнаружения целесообразно сгенерировать изображение объекта на заданном фоне, в которое будет добавлена шумовая составляющая в виде флуктуаций интенсивности излучения по полю зрения. Для системы измерения координат точечного источника в качестве входного сигнала используется светящаяся точка (трехмерная 5-функция).
Объединение в одно целое материальных физических элементов оптикоэлектронного тракта (например, входного объектива и фотоприемника) с виртуальными элементами, представленными в виде компьютерных моделей, создает весьма широкие и интересные возможности по оптимальному согласованию параметров различных звеньев оптико-электронного тракта, исходя из критерия повышения информативности результирующих сигналов.
120
Оптика, оптико-электронные приборы и системы
Рис. 3. Построение метамодели
Весьма интересной с научной точки зрения и полезной с практической стороны является 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 программные элементы, осуществляющие наперед заданную коррекцию передаточных свойств оптико-электронного тракта.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. ИК системы «смотрящего типа»: учебник для вузов. -М.: Логос, 2004. - 444 с.
2. Тарасов В.В., Якушенков Ю.Г. Двух- и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения: учеб. пособие для вузов. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 192 с.
Получено 26.01.2012
©Е.В. Грицкевич, Д.А. Скворцов, П.О. Гептнер, О.Ю. Проценко, 2012
121
