ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В настоящее время автоматические системы обработки, анализа и обнаружения сигналов по различным характеристикам находят все большее применение в самых разных областях промышленности и жизнедеятельности.

При функционировании военной техники в условиях боевых действий на ее работу влияет большое количество помех. К ним относятся оптические помехи, которые делают вооружение и механизмы противника невидимой в диапазоне длин волн, воспринимаемых человеческим глазом. Кроме того, корпус технических средств может быть выполнен из специального материала, который не отражает радиоизлучение, делая технику невидимой для радиолокаторов. В этом случае эффективным способом обнаружить боевую технику противника является использование теплового излучения.

При регистрации системой наблюдения теплового излучения объектов пространственной сцены формируется тепловизионное изображение. Теплови- зионным называется видимое глазом изображение, яркость элементов которого соответствует интенсивности теплового (инфракрасного) излучения различных объектов наблюдаемой сцены.

В последнее время все большее внимание уделяется разработке образцов высокоточного вооружения, не требующим постоянное участие человека- оператора в наведении на цель. Использование автоматической обработки теп- ловизионных изображений позволяет отказаться от участия в наблюдении за объектами сцены оператора, что позволяет подвергать его жизнь меньшей опасности в окружающей обстановке. Кроме того, автоматизм в работе подобных систем повышает точность их работы, делая их независимыми от ошибок, которые могут быть допущены оператором. Все это делает задачу разработки информационно-измерительных систем обработки тепловизионных изображений актуальной и вместе с тем создает предпосылки для научного и технического решения подобной задачи.

Объектом исследования диссертационной работы является информационно-измерительная система регистрации и обработки тепловизионных изображений пространственной сцены.

Предметом исследования диссертационной работы являются методы цифровой обработки тепловизионных изображений, позволяющие произвести обнаружение «цели» на изображении с меньшей по сравнению с существующими методами вероятностью ошибочного определения участка сигнала, содержащего изображение «цели».

Цель диссертации: исследования информационных процессов, проте-кающих в ИИС регистрации и обработки тепловизионного сигнала и повышение точности обнаружения «цели» на тепловизионном изображении.

Для решения поставленных задач используются методы теории распознавания, теории вероятностей, и математической статистики.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решены следующие задачи.

Анализ физических аспектов формирования тепловизионного изображения пространственной сцены и факторов, определяющих яркостные характеристики получаемого изображения. На основании анализа выявленных факторов, оказывающих влияние на формирование изображения и передачи яркости фона и «цели», а также методов обнаружения участка сигналов, обладающих определенными характеристиками формулирование вывода о необходимости разработки метода обнаружения «цели» на тепловизионном изображении.

На основании изучения статистических характеристик сигналов, составляющих тепловизионное изображение разработка его модели, учитывающей факторы, влияющие на снижение контраста на границе «фон»-«цель», при-водящее к возрастанию вероятности ошибок обнаружения «цели».

Разработка методов оценки состояния сцены тепловизионного наблюдения, учитывающего яркостные и статистические свойства локального множества пикселей на основании локальной гистограммы и эталонных гистограмм.

Разработка критерия для анализа тепловизионных изображений и оценка эффективности разработанного метода анализа тепловизионных изображений.

Разработка алгоритма ускорения выполнения гистограммного анализа изображений за счет обнаружения эффективных для анализа яркостных интервалов, а также ускорения процедуры построения гистограммы и вычисления критерия близости гистограмм.

Программная реализация и экспериментальная апробация разработанных методов анализа изображений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Для оценки состояния сцены тепловизионного наблюдения предложен квадратичный критерий близости гистограмм, использующий локальную гистограмму яркостей и множество эталонных гистограмм.

На основании исследования характера и параметров распределения значений гистограммы тепловизионного изображения произведена оценка ши-рины и положения эффективных для анализа яркостных интервалов.

Выполнена вероятностная и энтропийная оценка эффективности методов анализа тепловизионных изображений, основанных на использовании квадратичного критерия близости и локального максимума пикселей в пределах апертуры.

Разработана система методик, позволяющих выбрать размер апертуры обработки изображения исходя из размеров «цели» и помех на изображении, позволяющая корректировать размер апертуры, а также выполнять слежение за местоположением «цели» в последовательности кадров при ведении наблюдения за сценой.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

Разработано программное обеспечение, позволяющее выполнить имме- тационное моделирование выполнения процедуры гистограммного анализа.

Выполнено исследование характеристик тепловизионных изображений реальных сцен и показано их соответствие выбранным моделям.

Разработана методика вычисления размера апертуры исходя из размеров «цели» и помех на изображении.

Предложен вариант архитектуры вычислительной системы, выполняющей построение гистограммы и идентификацию состояния элементов тепловизионного изображения.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей тепловизионных изображений, а также имитационным моделированием алгоритма функционирования информационно-измерительной системы, выполняющей гистограммиый анализ тепловизионных изображений.

Научные положения, выносимые на защиту.

Использование квадратичного критерия близости гистограмм для определения состояния наблюдаемой сцены.

Оценка ширины и положения эффективных для анализа яркостных интервалов.

Вероятностная и энтропийная оценка эффективности методов анализа тепловизионных изображений.

Система методик, направленных на выбор рационального размера апертуры обработки, его коррекции и слежение за целью.

Реализация н внедрение результатов.

Предложенные в диссертации методы и методики согласно Акту №52/УЦ из ГУП КБП от 27.12.06 о внедрении в производство результатов научной работы реализованы автором в процессе выполнения нижеследующей ОКР по договору №17001 от 15.09.2000

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих конференциях и семинарах.

1 Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Идеи молодых - новой России» - Тула: ТулГУ, 2004.

Гагаринские чтения - Москва: МАТИ-РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2004, 2005,2006.

Интеллектуальные и информационные системы. - Тула: ТулГУ, 2004.

Научная сессия НТО РЭС, посвященная Дню радио - Тула: ТулГУ, 2005,2006.

«Студенчество. Интеллект. Будущее», Межвузовская молодежная конференция, посвящ. 25-летию Камского госуд. политехи, ин-та - Наб. Челны, КамПИ, 2005.

Всероссийская конференция «Проблемы проектирования систем и комплексов» - Тула: ТулГУ, 2004,2005,2006 гг.

Всероссийская конференция, посвященная 50-летию кафедры «Системы автоматического управления» - Тула: ТулГУ, 2006 г.

Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава ТулГУ 2004,2005,2006 гг.

По теме диссертации опубликовано 19 работ, включенных в список лите-ратуры, в том числе: 4 работы с тезисами докладов на всероссийских конференциях, 15 статей.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста и включающих 79 рисунков и 3 таблицы, пяти приложений на 33 страницах и списка использованной литературы из 8 наименований.

Во введении дана постановка задачи разработки информационно-измерительной системы обработки тепловизионных изображений.

В первом разделе работы рассматриваются основные этапы формирования и обработки тепловизионного изображения в информационно- измерительной системы (ИИС) регистрации и обработки тепловизионных изо- бражсний, выполняется обзор методов решения задачи обнаружения сигнала «цели». Приводится обобщенная структура ИИС.

Во втором разделе разрабатывается модель тепловизионного изображения, рассматривается статистическое обобщение сигнала - гистограмма, вводится квадратичный критерий близости, позволяющий идентифицировать состояние элемента изображения, приводятся статистические характеристики распределения значений гистограммы.. Выполнена оценка ширины анализируемых яркостных интервалов.

В третьем разделе рассматриваются различные случаи взаимного расположения апертуры и «цели», вводится ограничение на максимальный размер апертуры. Разработана методика выбора рационального размера апертуры. Выполнен поиск эффективных для анализа яркостных интервалов.

В четвертом разделе вычислено значение математического ожидания квадратичного критерия близости. Рассматриваются вероятностные и энтпро- пнйные характеристики различных алгоритмов обнаружения «цели».

В пятом разделе выполнено исследование тепловизионных изображений реальных сцен, показано их соответствие выбранным моделям, оценены вероятностные характеристики алгоритма гистограммного анализа. Показана вы-числительная эффективность разработанного алгоритма рекуррентного вычисления квадратичного критерия близости. Предлагается алгоритм рекуррентного вычисления критерия близости гистограмм, разработан метод пост-обработки данных тепловизионного наблюдения.

В заключении сделаны выводы по работе в целом.