Регистрация / Вход
Прислать материал

14.574.21.0056

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.574.21.0056
Тематическое направление
Информационно-телекоммуникационные системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Название доклада
Разработка и исследование технологии анализа изображений для систем технического зрения летательных аппаратов
Докладчик
Бабаян Павел Вартанович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
С расширением области применения малой и беспилотной авиации предъявляются все более высокие требования к средствам информационного обеспечения пилота (оператора) и безопасности выполнения полетов. Это во многом объясняется тем, что подобные летательные аппараты (ЛА) зачастую эксплуатируются в режиме маловысотного полета, в условиях городской или гористой местности, вблизи оживленных воздушных трасс. Разработчики технических средств для повышения информационной осведомленности и обеспечения безопасности полетов зачастую сталкиваются с проблемой, связанной с невозможностью установки оборудования, обладающего большими массогабаритными показателями и энергопотреблением, такого, как, например, радиолокаторы или лазерные дальномеры. В то же время, достаточно большие перспективы в части наблюдения и понимания закабинной обстановки предоставляют оптико-электронные системы технического зрения (СТЗ). Широкое применение СТЗ в решении задач информационного обеспечения и повышения безопасности полетов во многом затруднено отсутствием достаточно надежных и быстродействующих алгоритмов анализа видеоизображений, осуществляющих функции обнаружения, оценки параметров и распознавания объектов интереса и потенциально опасных объектов (препятствий). В связи с этим цель проекта заключается в исследовании и разработке комплекса научно-технических решений, направленных на создание программно-алгоритмического обеспечения системы технического зрения летательного аппарата, предназначенной для снижения ситуационной неопределенности и распознавания опасных ситуаций.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность темы исследований обосновывается тем, что известные на данный момент алгоритмы анализа изображений не обеспечивают достоверное обнаружение и распознавание объектов (препятствий) на изображениях бортовой видеосъемки. Задачи обработки изображений при наблюдении с борта ЛА по своей природе значительно отличаются от других задач технического зрения. Можно выделить следующие основные особенности:
1. Неопределенность условий наблюдения, связанная с возможной вариацией освещенности, ракурсов, наличием погодных явлений.
2. Большая номенклатура объектов, потенциально представляющих интерес, и их существенные различия между собой. К объектам интереса относятся береговые линии, сети железных и автомобильных дорог, мосты, высотные здания и сооружения, линии электропередач, самолеты, вертолеты, БПЛА, птицы и др.
3. Большая скорость перемещения ЛА и вызванная этим быстрая смена ракурсов наблюдения. Кроме того, высокая скорость полета обусловливает необходимость обнаруживать объекты и точно выделять их силуэт на больших расстояниях.
4. Необходимость обеспечения приемлемой скорости вычислений (в реальном или близком к реальному масштабе времени) на ограниченной по своим ресурсам бортовой аппаратуре.
В ходе проекта разработаны оригинальные алгоритмы анализа изображений, учитывающие приведенные выше факторы. Научная новизна исследования заключается в том, что впервые для СТЗ ЛА разработана технология анализа изображений, решающая в комплексе задачи информационного обеспечения пилота, предупреждения о появлении препятствий на пути следования ЛА и оценки степени опасности столкновения с ними.
Описание исследования

В ходе выполнения проекта решались следующие задачи:

  • обнаружение и распознавание заранее заданных объектов и визуальных ориентиров;

  • обнаружение линий электропередач (ЛЭП);

  • обнаружение и оценка параметров (положения, направления и скорости движения) и распознавание посторонних воздушных объектов, обнаружение скоплений птиц;

  • обнаружение потенциально опасных объектов и возвышений на местности;

  • анализ обстановки и распознавание опасных ситуаций.

Для обнаружения и распознавания заданных наземных объектов и визуальных ориентиров разработан подход, в основе которого лежит идея совмещения наблюдаемых изображений закабинной обстановки с цифровой моделью местности (ЦММ) и/или цифровой моделью объекта (ЦМО). В качестве исходных данных для решения задачи используется информация, получаемая от навигационных приборов: сведения о положении и ориентации ЛА в пространстве. На их основе по данным ЦММ и ЦМО генерируется серия контурных препаратов, также строится контурным препарат наблюдаемого изображения. Использование серии препаратов объясняется возможным наличием ошибок и неточностью навигационных систем ЛА. Алгоритм нахождения наиболее подходящего препарата ЦММ/ЦМО и оценки геометрического рассогласования обеспечивает сопоставление текущего изображения с определенной частью ЦММ или с определенной ЦМО, что позволяет идентифицировать наблюдаемые объекты.

Обнаружение ЛЭП осуществляется на основе оригинального подхода, идея которого заключается в следующем. Наблюдаемое изображение разбивается на блоки. В каждом блоке с помощью специально разработанной для этой цели модификации преобразования Радона выполняется поиск сегментов ЛЭП. С учетом неоднородности фоновой составляющей для уменьшения вероятности ложного обнаружения применяются разработанные эвристические фильтры. Задача объединения сегментов ЛЭП в одну общую линию сформулирована и решена как оптимизационная задача с использованием мультиагентного подхода.

С целью обнаружения посторонних воздушных объектов и скоплений птиц разработан алгоритм, включающий этапы предварительного обнаружения и уточнения параметров объектов. Распознавание воздушных объектов осуществляется на основе их трехмерных моделей. Для сокращения вычислительных затрат модели объектов подвергаются специальной обработке, состоящей в вычислении дескрипторов формы для всех возможных ракурсов наблюдения. Дескрипторы формы являются инвариантными к изменению масштаба и повороту объекта в плоскости, перпендикулярной оптической оси видеодатчика. Распознавание объекта осуществляется путем вычисления по наблюдаемому изображению дескриптора формы и его сопоставление с дескрипторами, полученными на основе моделей.

Обнаружение потенциально опасных объектов и возвышений на местности выполняется с использованием одного видеодатчика СТЗ и данных о перемещении ЛА в пространстве, получаемых от навигационных систем. Наблюдение с разных ракурсов вследствие движения ЛА позволяет определить расстояние до элементов сцены и выделить на ней потенциально опасные объекты и возвышения местности. Аналогичный подход используется для определения расстояния до воздушных объектов, однако при этом дополнительно учитывается фактор их собственного движения.

На основании данных о собственном движении ЛА и наличии посторонних наземных и воздушных объектов выполняется общий анализ обстановки. Вывод о наличии опасной ситуации делается при уменьшении параметра, определяющего время до столкновения с наиболее близким объектом, заданной пороговой величины.

Разработанные подходы были реализованы в экспериментальном образце программного комплекса (ЭО ПК). Проведены экспериментальные исследования, которые показали соответствие ЭО ПК, его функциональности, а также эффективности разработанной технологии анализа изображений заданным требованиям. Полученные данные позволяют сделать обоснованный вывод о целесообразности использования бортовой оптико-электронной системы технического зрения для повышения информационной осведомленности и обеспечения безопасности пилотирования летательных аппаратов.

Результаты исследования

В ходе исследований разработаны

  1. Алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров наземных объектов и визуальных ориентиров на изображениях бортовой видеосъемки.

  2. Алгоритмы обнаружения, распознавания и оценки параметров воздушных объектов на изображениях бортовой видеосъемки.

  3. Алгоритм обнаружения опасных ситуаций, связанных со сближением летательного аппарата с другими объектами.

  4. Прототип программного обеспечения системы технического зрения летательного аппарата.

  5. Предложения и рекомендации по использованию результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики, а также в дальнейших исследованиях и разработках

  6. Проект технического задания на выполнение ОКР «Разработка программных средств системы технического зрения летательных аппаратов».

Проведенные эксперименты с использованием натурных видеосюжетов показывают, что разработанная технология анализа изображений обеспечивает достижение следующих показателей:

  • частота правильного обнаружения наземных объектов и визуальных ориентиров при отношении сигнал/шум 6 и более может достигать 91,2% при частоте ложных тревог 0,07%;
  • частота правильного обнаружения воздушных объектов при отношении сигнал/шум 6 и более составляет 97,5% при частоте ложных тревог 0,06%;
  • частота правильного обнаружения опасных ситуаций достигает 96,2% при частоте ложных тревог 0,7%;
Практическая значимость исследования
Результаты проекта создают основание для разработки нового продукта - системы технического зрения ЛА, предназначенной для повышения информационной осведомленности и обеспечения безопасности выполнения полета. Подобная система может являться хорошим дополнением к существующим системам типа TCAS (Traffic Collision Avoidance System) и TAWS (Terrain Avoidance Warning System). Дальнейшее использование результатов предполагает выполнение на их основе ОКР на базе индустриального партнера проекта - АО "Государственный Рязанский приборный завод". АО "ГРПЗ" является одним из крупнейших отечественных разработчиков и производителей авионики, в том числе систем обработки изображений для ЛА. Выполнение проекта осуществлялось в тесной кооперации с АО "ГРПЗ" и с учетом возможной реализации результатов на базе производимой им аппаратуры.