Устройство для распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям

 

Изобретение относится к устройствам распознавания образов, конкретно к устройствам распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям. Устройство распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям содержит последовательно соединенные многолучевое приемо-передающее устройство, пороговое устройство, формирователь текущих бинарных трехмерных портретов объектов, и цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов объектов, второй вход которого соединен с генератором эталонных портретов объектов, а выход - через блок принятия решений с индикаторным устройством. Согласно изобретению генератор эталонных портретов объектов содержит последовательно соединенные формирователь условий локаций, блок предварительного выбора объекта, генератор углов ориентации, расчетный модуль для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта, выход которого соединен с выходом генератора эталонных портретов, а второй вход через блок математических моделей внешней поверхности объектов с вторым выходом блока предварительного выбора объекта, второй вход которого соединен с сигнальным выходом формирователя бинарных трехмерных портретов объектов и входом формирователя условий локации, причем второй вход формирователя условий локации соединен с входом внешнего целеуказания. 7 з.п.ф.; 1 ил.

Полезная модель относится к устройствам распознавания образов, конкретно к устройствам распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям.

Известно устройство для распознавания объектов [1] по их двумерным (2D) изображениям и звуку, содержащее установленные на автомобиле радиолокационный модуль для обнаружения целей и оптико-электронный модуль для приема теплового и видео изображения цели, соединенные с бортовой ЭВМ управления модулями и идентификации целей. Радиолокационный модуль содержит твердотельную цифровую когерентную радиолокационную станцию (РЛС) 3-х см диапазона с системой селекции движущихся целей (СДЦ). РЛС имеет системы автоматического сопровождения движущихся целей с отображением на мониторе ЭВМ сигнальной информации на фоне цифровой карты местности, а также режим прослушивания доплеровских сигналов от целей на наушниках и вывода этих сигналов (спектров) в графическом виде на монитор ЭВМ. Дальность обнаружения человека указанной РЛС составляет 5 км, а грузового автомобиля - 12 км. РЛС имеет точность измерения координат: 5 м по дальности и 4 градуса по углу. Оптико-электронный модуль снабжен видеокамерой и тепловизором. Видеокамера снабжена оптикой 25-ти кратного увеличения, что позволяет при достаточной освещенности визуально распознавать объекты типа «человек» на дальностях до 5 км, а автомобили - до 8 км. В этих же пределах дальностей стабильно работает детектор движения. Дальности распознавания объектов с помощью тепловизора зависят от установленного типа прибора и находятся в интервале от 1 до 5 км. Бортовая ЭВМ выполнена двухпроцессорной и снабжена преобразователями интерфейсов для соединения с монитором, с радиолокационным и оптико-электронным модулями, системами спутниковой навигации и ориентирования устройства распознавания на местности.

Недостатком известного устройства является ограниченные функциональные возможности, связанные с необходимостью привлечения для идентификации цели человека - оператора. В условиях повышенных скоростей сближения с объектом такое привлечение недопустимо из-за временных ограничений распознавания. Кроме того, применение данного устройства распознавания затруднено в условиях маскировки объектов на фоне местности.

Известно также устройство распознавания объектов по их трехмерным (3D) лазерным изображениям [2], содержащее последовательно соединенные многолучевое приемо-передающее устройство, пороговое устройство, формирователь текущих бинарных трехмерных портретов объектов, и цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов объектов, второй вход которого соединен с выходом генератора эталонных портретов объектов, а выход - через блок принятия решений с индикаторным устройством. При этом генератор эталонных портретов выполнен в виде блока хранения спектров Фурье для типовых трехмерных портретов цели, а цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов объектов содержит блок идентификации спектров, один вход которого через Фурье - преобразователь соединен с выходом формирователя текущих бинарных трехмерных портретов объектов, а второй вход - с выходом генератора эталонных портретов объектов. В качестве меры сходства эталонного и сигнального портретов в блоке идентификации используется максимум коэффициента корреляции.

Согласно [3, 4] корреляционная обработка (сравнение текущего спектра пачки сигналов от одной цели с пространственным объемом 64×64×64 с 16 битным качеством воспроизведения) требует затрат времени 0,6 с для сравнения только с одним предполагаемым спектральным портретом цели в одной из трех вращательных сверток. Учитывая, что в зоне ответственности устройства распознавания может находиться несколько целей, количество вращательных сверток Фурье по каждой цели составляет три, а конкретный класс, тип и портрет каждой цели заранее неизвестен требуемое время распознавания целей увеличивается в десятки раз. Это объясняется тем, что само преобразование бинарного трехмерного текущего изображения цели в спектральное изображение по формулам прямого Фурье - преобразования занимает значительное время. Кроме того, высокие скорости движения объектов, например летательных аппаратов (ЛА), что дополнительно затрудняют надежность их распознавания. Совокупность данных факторов не позволяет решить задачу распознавания объектов бортовой лазерной системой в реальном масштабе времени и с требуемой вероятностью их распознавания.

Недостатком прототипа является пониженная надежность распознавания подвижных объектов лазерной локации, связанная со сравнением амплитудно-временных пространственных (трехмерных) характеристик объектов и эталонов по их сверткам (через Фурье - преобразование).

Задача полезной модели - устранение недостатков прототипа.

Техническим результатом полезной модели является повышение надежности распознавания объектов лазерной локации с одновременным уменьшением времени их распознавания за счет обеспечения возможности сравнения текущих и эталонных портретов объектов непосредственно по амплитудно-временным характеристикам бинарного трехмерного портрета цели, минуя громоздкое и затратное по времени Фурье - преобразование сигналов.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что устройство распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям, содержащее последовательно соединенные многолучевое приемо-передающее устройство, пороговое устройство, формирователь текущих бинарных трехмерных портретов объектов и цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов объектов, второй вход которого соединен с генератором эталонных портретов объектов, а выход - через блок принятия решений с индикаторным устройством, согласно полезной модели генератор эталонных портретов объектов содержит последовательно соединенные формирователь условий локаций, блок предварительного выбора объекта, генератор углов ориентации, расчетный модуль для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта, выход которого соединен с выходом генератора эталонных портретов, а второй вход через блок математических моделей внешней поверхности объектов с вторым выходом блока предварительного выбора объекта, причем второй выход порогового устройства соединен со вторым входом блока предварительного выбора объекта и с первым входом формирователя условий локаций, второй вход которого соединен с выходом источника внешнего целеуказания.

При этом цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов цели, выполнен в виде вычислителя корреляционной функции

,

где Si,j,k - принятое 3D изображение; Mi,j,k - сгенерированное изображение эталона; n, m, l - максимальные значения числа пикселов 3D изображений по 3-м пространственным координатам соответственно; i, j, k - текущие порядковые номера пикселов по 3-м координатам в процессе обработки изображений.

Формирователь условий локаций выполнен в виде модуля классификации объектов по информации их траекторных координат и параметров маневра. Блок предварительного выбора объекта выполнен в виде цифрового устройства сравнения углов ориентации и продольных размеров объекта. Генератор углов ориентации объекта содержит цифровой генератор углов крена, генератор углов тангажа и генератор углов рысканья объекта. Расчетный модуль для формирования трехмерных бинарных изображений объекта выполнен в виде вычислителя эталонных текущих изображений объекта на основе данных математических моделей внешней поверхности объекта. Блок математических моделей внешней поверхности объектов выполнен в виде блока памяти внешней поверхности типовых объектов лазерной локации. Расчетный модуль для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта выполнен в виде схемы перебора внешней поверхности объектов для каждого угла его пространственной ориентации. Блок принятия решений выполнен в виде устройства выбора максимального значения сигнала от объекта локации из множества максимальных значений сигналов при оптимальных углах ориентации объекта из условия:

,

где: g* - номер распознанного объекта локации; g, I - текущий номер объекта локации и их максимальное число; i, i, i - диапазоны углов рыскания, тангажа и крена g-го объекта; - функция корреляции для g-го объекта.

Выполнение блока эталонных портретов объектов в виде генератора бинарных трехмерных изображений объектов, содержащего последовательно соединенные формирователь условий локаций, блок предварительного выбора объекта, генератор углов ориентации, расчетный модуль для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта, выход которого соединен с выходом блока эталонных портретов, а второй вход через блок математических моделей внешней поверхности объектов с вторым выходом блока предварительного выбора объекта, второй вход которого соединен с третьим выходом формирователя бинарных трехмерных портретов объектов, причем второй вход формирователя уточненных координат и параметров объекта соединен с входом внешнего целеуказания позволяет исключить необходимость использования многозатратных по времени расчета преобразований Фурье и сравнение текущих и эталонных портретов цели по их спектрам для распознавания целей, сократить время распознавания и, как следствие, повысить надежность идентификации целей в реальном масштабе времени.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям.

Устройство распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям содержит последовательно соединенные многолучевое приемо-передающее устройство 1, пороговое устройство 2, формирователь 3 текущих бинарных трехмерных портретов объектов, и цифровой коррелятор 4 для сравнения текущих и эталонных портретов объектов, второй вход которого соединен с генератором 5 эталонных портретов объектов, а выход - через блок 6 принятия решений с индикаторным устройством 7.

При этом многолучевое приемо-передающее устройство 1 выполнено в виде матрицы фотоприемников с общим объективом для приема светового потока, отражаемого элементами распознаваемого объекта. Выходы фотоприемников устройства 1 соединены с пороговым устройством 2. Пороговое устройство 2 содержит блок элементарных обнаружителей, предназначенных для сравнения принятых лазерных эхосигналов с пороговым значением обнаружения и выработки двоичных сигналов «единица - ноль» соответственно для случаев обнаружения или не обнаружения сигналов в каждом элементе порогового устройства 2. Выходы элементарных обнаружителей порогового устройства 2 соединены с входами формирователя 3 текущих бинарных трехмерных портретов объекта локации. Формирователь 3, выполнен в виде оперативного запоминающего устройства и предназначен для запоминания и выдачи текущих трехмерных (3D) портретов сопровождаемого объекта с частотой посылок лазерных импульсов на первый вход коррелятора 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 5 эталонных бинарных трехмерных портретов объекта. Генератор 5 выполнен в виде формирователя бинарных трехмерных изображений объектов и содержит последовательно соединенные формирователь 8 условий локаций, блок 9 предварительного выбора объекта локации, генератор 10 углов ориентации, расчетный модуль 11 для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта, выход которого по эталонам портретов соединен со вторым входом коррелятора 4, а второй вход через блок 12 математических моделей внешней поверхности объектов - с вторым выходом блока 9 предварительного выбора объекта. Второй выход порогового устройства 2 соединен со вторым входом блока 9 и первым входом формирователя 8 условий локации, причем второй вход формирователя 8 уточненных координат и параметров объекта соединен с выходом источника 13 внешнего целеуказания. Цифровой коррелятор 4 для сравнения текущих и эталонных портретов цели, выполнен в виде вычислителя корреляционной функции

где Si,j,k - принятое 3D изображение; Мi,j,k - сгенерированное изображение эталона; n, m, l - максимальные значения числа пикселов 3D изображений по 3-м пространственным координатам соответственно; i, j, k - текущие порядковые номера пикселов по 3-м координатам в процессе обработки изображений.

Формирователь 8 условий локаций выполнен в виде модуля классификации объектов по информации их траекторных координат и параметров маневра. Блок 9 предварительного выбора объекта выполнен в виде цифрового устройства сравнения углов ориентации и продольных размеров объекта с контрольными значениями. Генератор 10 углов ориентации объекта содержит цифровой генератор углов крена, генератор углов тангажа и генератор углов курса объекта. Расчетный модуль 11 для формирования трехмерных бинарных изображений объекта выполнен в виде вычислителя эталонных текущих изображений объекта на основе математической модели внешней поверхности объекта. Блок 12 математических моделей внешних поверхностей объектов выполнен в виде блока памяти параметров уравнений внешних поверхностей типовых объектов лазерной локации. Блок 9 предварительного выбора объекта содержит блок памяти с данными о максимальных линейных размерах объектов и устройство сравнения. Блок 6 принятия решений выполнен в виде устройства выбора максимального значения корреляционной функции от объекта локации из множества максимальных значений сигналов в диапазоне возможных углов ориентации объекта из условия:

где: g*- номер распознанного объекта локации; g, I - текущий номер объекта локации и их максимальное число; i, i, i - диапазоны углов рыскания, тангажа и крена g-го объекта; - функция корреляции для g-го объекта.

Устройство распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям работает следующим образом.

На начальном этапе до начала работы по реальным целям проводится предварительной классификации распознаваемых объектов и составление априорного алфавита классов. Используя траекторные и геометрические признаки, составляется граф состояний типовых объектов с учетом их летно-тактических характеристик и особенностей применения. При классификации объектов учитываются их полные вектора скоростей V, высоты полета Н, диапазон параметров маневра, зоны уязвимости.

Далее осуществляется лазерная локация объектов импульсной лазерной системой. При этом пространственная протяженность локационных импульсов много меньше размеров типовых объектов. При этом трехмерные изображения цели могут быть сформированы при подсвете объекта пучком лазера, работающего в режиме с модуляцией добротности, и при приеме отраженного излучения на многоэлементный приемник излучения устройства 1. Возможно также использование в передатчике устройства 1 в качестве зондирующего импульса линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Использование ЛЧМ импульса для зондирования объекта обусловлено тем, что можно осуществлять выбор длительности импульса и ширины амплитудно-частотного спектра, что позволяет обеспечить необходимую энергию сигнала, требуемую разрешающую способность по дальности и распознавание объектов.

В качестве меры сходства эталонного и сигнального изображений используют максимум коэффициента корреляции между ними. При этом по мере приближения цели применяют электронное расширение поля зрения устройства 1 лазерно-локационной системы. Для этого определяется дальность L до объекта локации и диапазоны углов визирования цели относительно приемной оптической системы. Для каждого класса целей определяются линейный размер и максимальный коэффициент корреляции при сравнении со всеми эталонами этого класса, при фиксированной L и изменяющихся углах ориентации цели с заданным шагом дискретизации. По известным максимальным коэффициентам корреляции (для каждого класса целей) определяется наибольший, который и указывает на принадлежность принятого изображения к соответствующему классу объектов. Результаты измерений отображаются на индикаторном устройстве 7.

Полезная модель разработана на уровне технического предложения и математического моделирования. Результаты моделирования показали, что сравнение текущих и эталонных портретов объектов не по их спектрам, а по амплитудно-временным характеристикам бинарного трехмерного портрета объекта в режиме имитации ее углов курса, тангажа и крена позволяет повысить надежность распознавания объектов с одновременным уменьшением времени распознавания не менее чем в 2.5-4 раза по сравнению с известными лазерными устройствами распознавания объектов.

Источники информации:

1. RU 67529, B60R 27/00, 2009;

2. Baker, I., Thorne, P., Henderson, J., Copley, J., Humphreys, D., Millar, A., "Advanced multifunctional detectors for laser-gated imaging applications", Proc. SPIE Vol.6206, pp 620608-1-10, (2006).

3. Wood, J.J., Randall, P.N., Nicholas, M.R, Nothard, J.M., Watson, G.H., Harvey, C. and Smith, G "Automatic target identification in active imagery", NATO Military Sensing Symposium (2008).

4. US 2010002942, МПК: МПК: G06K 9/68, 2010;

5. Хмаров И.М., Прохоров А.В., Прохоров В.А. Информационная расчетная система "Рапира" для определения широкого набора лазерно-локационных и сигнальных характеристик объектов. // Сборник докладов Всероссийской научно-технической школы-семинара «Передача, обработка и отображение информации при быстропротекающих процессах» / РАРАН, октябрь 2007, г.Сочи, - М.: РПА «АПР», 2007. С.288-291.

6. Хмаров И.М., Канивец В.Ю., Кондрашов Н.Г. Методика выбора основных технических параметров бортовых лазерных локационных средств при локации малозаметных наземных целей. // Сборник докладов Всероссийской научно-технической школы-семинара «Передача, обработка и отображение информации при быстропротекающих процессах» / РАРАН, октябрь 2007, г.Сочи, - М.: РПА «АПР», 2007. С.283-287.

1. Устройство распознавания объектов по их трехмерным лазерным изображениям, содержащее последовательно соединенные многолучевое приемопередающее устройство, пороговое устройство, формирователь текущих бинарных трехмерных портретов объектов и цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов объектов, второй вход которого соединен с выходом генератора эталонных портретов объектов, а выход через блок принятия решений - с индикаторным устройством, отличающееся тем, что генератор эталонных портретов объектов содержит последовательно соединенные формирователь условий локаций, блок предварительного выбора объекта, генератор углов ориентации, расчетный модуль для формирования текущих трехмерных бинарных изображений объекта, выход которого соединен с выходом генератора эталонных портретов, а второй вход через блок математических моделей внешней поверхности объектов с вторым выходом блока предварительного выбора объекта, причем второй выход порогового устройства соединен со вторым входом блока предварительного выбора объекта и с первым входом формирователя условий локаций, второй вход которого соединен с выходом источника внешнего целеуказания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цифровой коррелятор для сравнения текущих и эталонных портретов цели выполнен в виде вычислителя корреляционной функции ,

где Si,j,k - принятое 3D изображение; Mi,j,k - сгенерированное изображение эталона; n, m, l - максимальные значения числа пикселов 3D изображений по 3 пространственным координатам соответственно; i, j, k - текущие порядковые номера пикселов по 3 координатам в процессе обработки изображений.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь условий локаций выполнен в виде модуля классификации объектов по информации их траекторных координат и параметров маневра.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок предварительного выбора объекта выполнен в виде цифрового устройства сравнения углов ориентации и продольных размеров объекта с контрольными значениями.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор углов ориентации объекта содержит цифровой генератор углов крена, генератор углов тангажа и генератор углов рысканья объекта.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расчетный модуль для формирования трехмерных бинарных изображений объекта выполнен в виде вычислителя эталонных текущих изображений объекта на основе данных математических моделей внешней поверхности объекта.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок математических моделей внешней поверхности объектов выполнен в виде блока памяти внешней поверхности типовых объектов лазерной локации.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок принятия решений выполнен в виде устройства выбора максимального значения сигнала от объекта локации из множества максимальных значений сигналов при оптимальных углах ориентации объекта из условия

,

где g* - номер распознанного объекта локации; g, I - текущий номер объекта локации и их максимальное число; i, i, i - диапазоны углов рыскания, тангажа и крена g-го объекта; - функция корреляции для g-го объекта.



 

Похожие патенты:

В этом изобретение удалённое видеонаблюдение даёт технический результат, заключающийся в повышении уровня автономности по питанию, вандалозащищенностью и более широкими функциональным возможностями, достигается в устройстве, содержащем линейную часть, включающую первую и вторую видеокамеры и видеокамеру дальнего обзора и станционную часть.

Техническим результатом является расширение арсенала технических средств управления в системе управления кредитными портфелями

Узел передней подвески автомобиля с низкой стоимостью ремонта относится к области автомобилестроения, а именно, к конструкции транспортного средства, и может быть использован в передней подвеске преимущественно на легковых автомобилях (форд транзит, ниссан примера, ниссан альмера, форд фокус, ауди 80, фольсваген, мерседес).

Полезная модель относится к электронной технике, предназначена для 3d конвертации изображения и может быть использована в вычислительной технике для преобразования 2d моноскопических изображений в 3D стереоскопические изображения в научной, образовательной, исследовательской, развлекательной, коммерческой и других областях? в виде различных кино- или видеоматериалов.

Техническим результатом является расширение функциональной возможности устройства за счет измерения плотности по глубине и массы жидкости

Техническим результатом заявляемой полезной модели «Устройство сигнализации местонахождения объекта» является снижение сложности и себестоимости, а также повышение эксплуатационных и технических качеств

Изобретение относится к сфере компьютерных технологий и может быть использовано для создания у наблюдателя эффекта погружения в виртуальное трехмерное пространство, наблюдаемое на экране монитора, дисплея или иных устройствах отображения информации
Наверх