автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Автоматизация проектирования зеркальных систем управления положением изображения

министерство общего II профессионального образования российской федерации

московский государственный университет геодезии и картографии

На правах рукописи

Л п

удк 535.8

1 /!>■•; 1сг'-о

ХМЕЛЬЩИКОВ ЮРИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

автоматизация проектирования зеркальных систем управления положением изображения

05.П.07 - оптические и оптико-электронные приборы

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном университете геодезии и ка ртографии

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

А.Б.Шерешев

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

А.А.Майоров

кандидат технических наук

И.А.Преображенский

Ведущее предприятие

Защита состоится « »

ГП «Кинотехника»

_1998 г. в 0 час, на заседании

специализированного Совета К063.01.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических наук при Московском государственном университете геодезии и картографии по адресу: 103064, Москва, Гороховский пер., 4 (ауд.321).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан « ^» Нб^ЗрО- 1998 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

В.А.Соломатин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Аппаратурные методы непрерывного отображения изображений в сложных динамических условиях требуемого качества с использованием различных способов регистрации - зрительного анализатора человека, фотослоев, координатно-чувствительных фотоприемников, динамических фанспарантов и др. связаны с проблемой стабилизации изображения в плоскости их регистрации.

В настоящее время системами стабилизации изображения оснащен широкий круг оптических приборов различного назначения, к числу которых, в частности, относятся различные системы наблюдения, наведения, прицелы и др. В этих приборах для компенсации смещений изображения использованы различные принципы стабилизации изображения.

Анализ методов построения систем стабилизации приборов показал, что в каждом классе приборов они были рассчитаны применительно к различным оптическим системам приборов с применением в качестве компенсаторов различных оптических элементов. При этом установлено, что отсутствует единая методика проектирования систем стабилизации изображения в плоскости регистрации.

В процессе развития техники съемок в последнее время появилась новая задача обратного плана - создавать произвольные, управляемые ЭВМ движения изображения при отсутствии пространственного перемещения регистрирующей аппаратуры.

Бурное развитие приборной техники, способной регистрировать подвижные изображения ставит задачу создания единых методик проектирования систем стабилизации изображения. Решение указанных задач в аналитическом виде проблематично. С развитием вычислительной техники становится возможным решить данную задачу созданием моделей систем стабилизации изображений. Исходя из вышеизложенного, можно считать, что указанные задачи весьма актуальны.

Целью настоящей работы является создание математических моделей, позволяющих выбирать рациональные параметры и режимы работы оптических элементов, управляющих положением изображения. Результаты анализа моделирования должны послужить основой создания методов проектирования рациональных конструкций зеркальных систем управления положением изображений.

Д.'1 я достижения цели работы рсчпялись следуюцигс задачи.

1. Исследование известных систем стабилизации изображения, их классификация и определение задачи исследований диссертационной работы.

2. Разработка математического программного обеспечения для систем моделирования.

3. Разработка аппаратного комплекса системы моделирования.

4. Исследование основных классов зеркальных систем стабилизации, моделирование различных конструктивных решений по построению универсальных зеркальных систем стабилизации изображений.

5. Моделирование и построение системы для компенсации погрешностей работы систем стабилизации.

6. Разработка зеркальной системы управления положением изображения в плоскости регистрации по заданным программам.

7. Разработка принципа визуализационного моделирования и связанных с ним особенностей воспроизведения статического и динамического изображения телевизионными системами.

8. Разработка и исследование физической модели системы стабилизации изображения.

Методы исследований.

При исследовании разрабатываемых устройств проводилось математическое и физическое моделирование оптических систем стабилизации изображения.

В разработанных программах использовались методы матричной оптики, численные методы математического анализа, методы объектно-ориентированного программирования.

При выводе математических соотношений использовалась система символьных вычислений REDUCE.

По результатам моделирования были разработаны реальные устройства стабилизации. Проведенные эксперименты с приборами подтвердили корректность построения систем моделирования.

На базе существующих приборов стабилизации разработана система имитации колебаний подвижного основания.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика построения визуализационных моделей зеркальных систем стабилизации положения изображений (ЗССПИ).

2. Алгоритмы, используемые в разработанных моделях.

3. Методы моделирования одно- и двухосных ЗССПИ на базе разработанных алгоритмов.

Научная новизна.

1. В результате анализа различных классов систем стабилизации установлена целесообразность использования системы плоских подвижных зеркал для создания универсальных ЗССПИ.

2. Разработана универсальная библиотека алгоритмов для расчета динамических оптических систем.

3. Разработана система моделирования различных классов ЗССПИ, использующая программно-аппаратный комплекс.

4. Результаты исследований основных типов ЗССПИ, вычисленные погрешности стабилизации в существующей двухосной ЗССПИ и предложенные методы устранения данных погрешностей.

5. Предложенная и исследованная в работе система имитации колебаний подвижного основания.

6. Результаты исследования телевизионной системы отображения информации, использованной в разработанных системах моделирования и определенные в работе оптимальные параметры системы отображения для адекватного восприятия графической информации зрительным анализатором человека.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработаны методики и алгоритмы расчета и моделирования различных типов систем управления положением изображения, которые были использованы для разработки

конкретных конструктивных решений макета зеркальных систем управления положением изображения.

~ Реализация предложенных методов моделирования ЗССПИ была осуществлена на действующе» универсальной двухосной системе стабилизации изображения ОС2-5() и заключалась в практическом применении разработанной системы моделирования при исследовании погрешностей стабилизации и для решения задач устранения сдвига изображения в вертикальной плоскости указанной установки путем дополнительного поворота зеркала. Внедрена также разработанная система создания искусственных движений изображения. Разработанное программное обеспечение совместно с комплексом моделирования используется в научно-производственном центре "Наутэк-холдинг" ' для

проектирования систем стабилизации. Указанные разработки подтверждены актом

I

о внедрении.

Апробация работы. Основные положения исследований обсуждались на семинарах кафедры прикладной оптики МИИГАиК и докладывались на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК.

Достоверность полученных в работе выводов и рекомендаций подтвердилась результатами математического и физического моделирования. Публикации

По результатам работы были опубликованы четыре научно-технические статьи.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Содержит 114 страниц машинописного текста, 3 таблицы, 44 рнсунка. Список литературы включает 83 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ обосновывается актуальность темы, поставлены задачи исследований и намечены пути их решения.

ПЕРВАЯ ГЛАВА работы посвящена аналитическому обзору существующих средств и методов стабилизации изображения, рассмотрены основные схемы систем

стабилизации с указанием их преимуществ и недостатков, приведены оптико-механические схемы устройств. Проведенный анализ выявил достоинства использования систем плоских зеркал в качестве управляющих элементов систем стабилизации изображения (ССИ):

' - отсутствие вносимых в систему аберраций при любом ходе лучей;

- малые габариты ц масса зеркального блока, что позволяет уменьшить инерционность CCI I;

- работоспособность при использовании различных типов объективов;

- большая амплитуда угловых колебаний прибора регистрации изображения (ПРИ) в пространстве, что позволяет увеличить диапазон работы ССИ;

- возможность панорамирования ПРИ в режиме стабилизации;

- совместимость ЗССПИ с различными ПРИ (кинокамеры, фотокамеры, видеокамеры и др.);

- малая потребляемая мощность приводов ССИ;

Показано, что в силу указанных преимуществ зеркала используются во многих других системах в качестве динамических оптических элементов. Сделан обзор основных систем контроля за смещением изображения в ССИ. Указаны преимущества непосредственного и косвенного контроля за смещением изображения. Выявлены возможности автоматизации проектирования ССИ изображения и в частности зеркальных ССИ.

Показано, что одним из недостатков существующих программ синтеза и анализа оптических систем является невозможность синтеза и анализа систем, имеющих подвижные оптические элементы. Исходя из этого установлено, что необходима разработка методов исследования поведения изображения в плоскости анализа в фиксированных положениях динамических элементов и непосредственно в динамическом режиме (в режиме реального времени). Для этого необходимо строить физическую или математическую модель будущего прибора, используя ЭВМ.

В связи с вышеизложенным сформулированы цели настоящего исследования.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ разработаны принципы автоматизации проектирования зеркальных систем управления положением изображения.

В настоящее время при проектировании приборов наиболее эффективным является использование различных видов моделирования. Математическое моделирование с использованием ЭВМ (цифровое математическое моделирование) является первым этапом,проектирования приборов. Оно используется в случаях сложности аналитического решения задачи ввиду значительных математических трудностей или больших временных и экономических затратах на проведение экспериментальных исследований.

Отмечено, что основным недостатком цифрового моделирования оптических систем в настоящее время является сложность моделирования систем в реальном масштабе времени вследствие необходимости использования большого объема вычислений.

Введено понятие визуализационное моделирование (ВМ), как метод использования визуального восприятия изображения на дисплее с целью его анализа при моделировании оптического прибора.

Показано, что в реальных условиях съемки, характеризующихся сравнительной удаленностью объекта съемки (Ь>>Г, где Ь-расстояние до объекта съемки. Г- фокусное расстояние объектива ПРИ), достаточно использование стабилизатора углового положения ПРИ, т.к., согласно оценкам, при удаленном объекте смещение изображения, вызываемое угловым смещением ПРИ многократно превышает смещение изображения, вызываемое линейным сдвигом ПРИ. Исходя из этого, исследования в работе проводились в направлении стабилизации угловых колебаний ПРИ, в пространстве.

В главе описана структура построения модели ЗССПИ. Описаны параметры основных элементов, входящих в схему, являющихся исходными данными для данной модели. Определены ограничения, накладываемые на исходные данные при моделировании.

Разработан программно-аппаратный комплекс для осуществления моделирования ЗССПИ. Сформулированы требования к параметрам его компонентов (рис.1.): ЭВМ, устройству ввода координат (УВК), ПРИ, телемонитору.

Описана структура разработанного алгоритма для системы моделирования. При разработке программы были использованы принципы объектно-

ориентированного программирования, позволяющие гибко менять алгоритм программы, свести основные блоки программы в объекты различных типов, что значительно облегчает разработку программы а также позволяет другим

ЭВМ

Л

X

<

У

ТЕЛЕМОНИТОР

-Г5

ь при а

УВК

Рис.1. Программно-аппаратный комплекс для моделирования

зеркальных систем управления положением изображения.

разработчикам перепрограммировать основные модули не имея исходных текстов программы. Описаны основные модули программы, оформленные как объекты: ЗЕРКАЛО, ЛИНЗА, ОТОБРАЗИТЬ. Описаны основные методы работы над объектами: ПОВЕРНУТЬ, РАССЧИТАТЬ_ЛУЧ. Приведен базовый алгоритм моделирования, который был взят за основу построения различных типов моделей

зсспи.

Разработаны различные типы моделирования ЗССПИ: статическое, динамическое, динамическое в режиме стабилизации.

Статическая модель включает в себя неподвижное основание с расположенными на нем ЗССПИ и ПРИ, в которой задается диапазон углов поворотов зеркал вокруг осей, разбиваемый на необходимое число поддиапазонов, для которых фиксируются изображения тест-объекта в плоскости анализа.

Для каждого фиксированного положения зеркала в пространстве ведется трассировка лучей. Данный тип моделирования в основном используется для разработки систем имитации колебаний изображения.

Динамическая модель позволяет оператору управлять положением изображения в реальном времени с помощью воздействия на устройство ввода координат (УВК), которое имитирует наклон подвижного основания вокруг одной и более осей либо поворот подвижного зеркала вокруг осей. Оценены результаты

моделирования конкретных приборов. Даны ограничения на исходные данные, дающие возможность приблизить данную модель к модели реального времени.

Динамическая модель в режиме стабилизации моделирует замкнутый динамический процесс, происходящий при работе системы стабилизации: с помощью УВК моделируются случайные наклоны подвижного основания вокруг осей; при этом моделируются компенсационные повороты зеркал, обеспечивающие стабильность изображения в плоскости анализа ПРИ. Поставлена задача нахождения зависимостей углов поворотов зеркал от углов поворотов подвижного основания для обеспечения стабильности изображения. При этом возможна оценка степени стабилизации изображения и нахождения допустимых угловых скоростей поворотов подвижного основания исходя из допустимой погрешности стабилизации путем введения в модель обобщенного коэффициента инерционности системы подвижное зеркало - исполнительный механизм.

Для каждого типа моделирования приведены блок-схемы разработанных алгоритмов.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА диссертации посвящена синтезу основных типов ЗССПИ. Описана общая структура системы стабилизации. Описано построение различных вариантов одноосных и двухосных систем стабилизации. Выведены уравнения стабилизации для обоих типов систем. '

Рис.2. Вариант построения одноосной системы при горизонтальном расположении оси вращения.

Рис.3. Вариант построения одноосной системы при вертикальном расположении оси вращения.

Для одноосных систем, имеющих расположение осей, показанное на рис.2, уравнения стабилизации имеют вид:

л>, = 0; О, =—(о - со.- 0. 2

(|)

где Юк%(Ох,СО. . проекции угловых скоростей подвижного основания, П, угловая скорость поворота подвижного зеркала вокруг горизонтальной оси.

ги ...

Г'

н-1 / ^ 7-

V <игО

И (нгО

■ V (мп)

Рис.4. Развертка изображения для Рис.5. Развертка изображения для

схемы, представленной на рис.2. схемы, представленной на рис.3.

Для одноосных систем, имеющих расположение осей, показанное на рис.3, уравнения стабилизации имеют вид:

сул =0; соу =0; П. = -со.;

(2)

С использованием разработанной системы моделирования были получены развертки изображения для данных вариантов построения одноосных систем (рис.4 и 5)

Для двухосных систем, имеющих расположение осей, показанное на рис.6, уравнения стабилизации имеют вид:

О. =-<у.; О =--со', = -о).\

2

(3)

. Для двухосных систем, имеющих расположение осей, показанное на рис.7, уравнения стабилизации имеют вид:

О. = го -со.; £2, =-—га,; О. =-<«.;

2 ' - (4)

Соответственно развертки изображения для данных вариантов построения

двухосных систем будут иметь вид, представленный на рис.8 и 9.

Рис.6. Вариант построения двухосной системы при расположении оси вращения Р* перпендикулярно падающему лучу.

Рис.7. Вариант построения двухосной системы при расположении оси вращения Рпараллельно падающему лучу.

Как видно из рисунков 8 и 9, при совпадении падающего луча с одной из осей вращения зеркала, траектория развертки изображения имеет вид прямых линий, что, является рациональным при использовании данной схемы в системе имитации колебаний изображения.

Рис.8. Развертка изображения для Рнс.9. Развертка изображения для

схемы, представленной на рис.6. .схемы, представленной на рис.7.

компенсации смещения изображения, где: ДУ1, ДУ2 - датчики углов горизонтальной и вертикальной осей, ИМ1.ИМ2-исполнительные механизмы осей зеркал, ЭБ1, ЭБ2 - электронные блоки

для преобразования сигналов с ДУ1 и ДУ2. Z - сумматор коррекционных сигналов с ДУ! и ДУ2. ПЗУ - - постоянное запоминающее устройство с "защитой" микропрограммой для

вычисления коррекционного угла Д^нз.

С целью апробирования разработанных систем моделирования в работе была исследована двухосная ЗССПИ ОС2-50, схема расположения осей зеркал которой имеет1 вид, изображенный на рис.6. В качестве системы регистрации была использована видеокамера SONY, видеовыход которой был присоединен к плате оцифровки изображения ЭВМ. Во время работы системы была произведена оцифровка изображений неподвижного тест-объекта для различных угловых положений подвижного основания в пространстве. Было отмечено смещение

изображения в вертикальной плоскорти, которое зависело от поворота основания вокруг оси, параллельной оптической оси системы регистрации. По апфрОВиг пным изображениям тест-объекта было измерено данное смещение, которое в частности для угла поворота основания р,ни=10° было равно в угловой величине примерно 1,6°, что довольно значительно. Для определения точных значений данного смещения была использована система динамического моделирования. Используя при моделировании те же исходные данные, что и в эксперименте, была получена серия данных, выражающих зависимость смещения изображения от поворота установки. Полученные в результате моделирования данные совпали с данными, полученными в ходе эксперимента с погрешностью не более 5%, что показывает корректность построения модели данной системы.

Полученные точные значения смещения хорошо аппроксимировались полиномом

I

третьей степени с погрешностью не более 1%. После приведения найденной зависимости к фокусному расстоянию заданного объектива было получено выражение, определяющее величину угла, на который необходимо довернуть горизонтальную ось зеркала для исключения смещения изображения при работе установки:

0 7-105 {](2)СИ+1,6-10 5 Д;аГ1,791 (Г1 <5)

Данная зависимость была использована при модернизации исследуемой установки (рис.10). Зависимость была "зашита" в ПЗУ в виде микропрограммы, которая осуществляла выработку сигнала для необходимого дополнительного поворота горизонтальной оси зеркала с целью уменьшения существующего смещения изображения до допустимых пределов.

В работе было произведено моделирование и построение системы имитации колебаний подвижного основания без использования механических перемещений самого основания. Была разработана схема экспериментальной установки (рис.11), в которой использовалась одноосная ЗССПИ. При этом датчики пространственного положения системы были заменены на систему программного управления вращением осей зеркал. Система позволяла задаваться табличными или функциональными зависимостями текущего мгновенного угла от времени. Сигнал, циклически генерируемый управляющей программой, передавался на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), подключенный к параллельному порту ЭВМ, а затем подавался на исполнительные механизмы оси зеркала, которые

осуществляли разворот зеркала на заданный мгновенный угол. Паспортные

Рис. 11. Схема установки для имитации колебаний подвижного основания.

ограничения установки по допустимым угловым скоростям вращения и частотам колебаний зеркала были учтены при разработке управляющей программы. При исследовании траекторий движения изображения для различных вариантов построения имитаторов были использованы системы статического и динамического моделирования.

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА диссертации посвящена определению оптимальных параметров систем визуализации с точки зрения адекватности визуализации изображений объектов и восприятия изображения зрительным анализатором человека.

В разделе ставятся следующие задачи:

- определение границ области применения телевизионных систем, при которых не происходит нарушения естественного впечатления при наблюдении сцены:

- определение общих требований к оптическим проекционным системам, предназначенным для формирования исходного изображения сцены на светочувствительной зоне телевизионного приемо-воспроизводящего комплекса и окулярным оптическим системам, формирующим изображение экрана монитора.

Рассмотрены три характерные визуализационные модели:

- различение малоразмерных объектов;

- различение текстур;

- визуализация динамических объектов.

Для случая, когда система визуализации отображает неподвижное поле объектов, исходя из дискретности представления информации показано,

что , где N - число элементов разложения монитора, К(=20") -

разрешающая способность глаза при работе в условиях дневного освещения,

^^тах. - максимально допустимое мгновенное угловое поле диагонали телевизионной системы, предназначенной для визуализации изображений, при котором достигается адекватность восприятия с точки зрения различения малоразмерных объектов одинаковой визуально воспринимаемой яркости при рассмотрении монитора с расстояния, обеспечивающего соответствующее увеличение. Показано, что допустимое угловое поле систем визуализации, обеспечивающих адекватное восприятие малоразмерных объектов, должно быть около 2°.

Показано, что различимы будут два малоразмерных объекта, которые

л[2-со'

окажутся на расстоянии у друг от друга не меньшем, чем

Ж

, где

А с - индекс фокусировки, в случае визуализации изображения сцены равный 2, о -угловое поле системы, Ь - расстояние от зрачка глаза оператора до монитора.

Для оптимального с точки зрения различения малоразмерных объектов, согласования видимого размера телемонитора с глазом оператора необходимо

* М 1 ГЛ

выполнить условие = ^ ^, где и - размер диагонали монитора.

Показано, что целесообразным является использование отрицательных луп в системах телевизионного отображения визуализированной информации. При этом

1-1

, ■

фокусное расстояние таких луп должно быть равно У __250 у ~> ' а

_ ¡ш

угловое поле 2м =—.

V 8

При необходимости различения текстур на мониторе показано, что

N г

1г

®и„-(2/г + г

где2<Ипш_ _ максимально

допустимое мгновенное угловое поле диагонали телевизионной системы, предназначенной для визуализации изображений, при котором достигается адекватность восприятия с точки зрения различения текстур (выделения контуров) с одинаковыми статистическими моментами первого порядка при рассмотрении монитора с расстояния, обеспечивающего заданное увеличение; г - угловая величина, характеризующая ширину перестраивающихся рецептивных полей сетчатки глаза человека, настроенных на выделение контуров, которая для условий работы при дневном освещении приблизительно равна 6".

При этом в случае использования проецирующей оптики, ее параметры будут

1 Гл/аТ1

следующие:

• /« = т;—^ + -7Г Г ; 2«п,ж * гЛя .

^ -250 I)

В случае визуализации динамической картины была определена связь параметров колебания подвижного основания, модель которого описана в

предыдущих главах, а именно частоты колебаний ^оси . амплитуды колебаний Л с параметрами системы визуализации: частотой кадров V, числом элементов

разрешения монитора N и угловым полем телевизионной системы ■

Допуская, что закон колебаний подвижного основания имеет вид: /(0 = А51п(2-лг-1'(л.„() и учитывая ранее полученные соотношения получим:

А1'„С1,со5(2 .^.,'ос11/) = —^г.

Анализируя данное соотношение для случая, когда [=0, было получено следующее выражение связи параметров колебательного движения основания и параметров системы визуализации:

2л:1 А2 У"7 V

Основные выводы по работе.

1. На основе анализа литературных источников, посвященных известным системам стабилизации изображения в ПРИ, а также современных требованиям к ним установлена перспективность универсальных, автономных зеркальных систем стабилизации и определены задачи их исследований.

2. Обоснованы принципы автоматизации проектирования зеркальных систем стабилизации и разработки математических моделей систем управления положением изображения.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс и программное обеспечение для осуществления визуализационного моделирования. Сформулированы требования к его основным элементам. При построении моделей использован принцип объектно-ориентированного программирования, позволяющий модифицировать основные блоки программы.

4. Разработаны основные варианты построения визуализационных моделей, использующих базовый алгоритм: статическая, динамические.

5. На основе разработанных математических моделей исследованы основные типы зеркальных систем стабилизации положения изображения (одноосные, двухосные), приведены возможные варианты реализации зеркальных блоков.

6. Проведен физический эксперимент на базе двухосной ЗССПИ ОС2-50. Выявлено наличие нескомпенсированного смещения изображения в режиме стабилизации вдоль вертикальной оси. С помощью разработанной системы

динамического моделирования определены численные значения указанного смещения. С использованием численных методов определена полиномиальная зависимость угла, соответствующего описанному смещению изображения, от угла поворота ЗССПИ. Модернизирована схема ЗССПИ с целью исключения существующей ошибки стабилизации введением дополнительного устройства в электронную схему установки.

7. Разработана и исследована установка для имитации колебаний подвижного основания, позволяющая управлять положением изображения системы регистрации по заданной программе без создания механических колебаний всей установки.

8. Определены границы области применения телевизионных систем, используемых при визуализационном моделировании, при которых не происходит нарушения адекватности восприятия исследуемого изображения. Определены параметры системы оператор-дисплей. Определены допустимые параметры колебательного движения основания при заданных параметрах системы визуализации.

Публикации по теме диссертации.

1.Елин М.Ю., Туляков В.М., Хмелыциков Ю.В. Автоматизация проектирования на примере механической передачи с использованием ЭВМ и графопостроителя. //Тр. 44-й конф. студ.. асп. и мол. ученых МИИГАиК.. МИИГАиК, М.:1989. Деп. в ОНИПР ЦНИИГАиК.

2. Хмелыциков Ю.В. Общий обзор основных средств и методов стабилизации изображения в оптических приборах. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -1998. -№1 -С.122-131.

3. Хмелыциков Ю.В., Шерешев А.Б. Метод интерактивного автоматизированного проектирования зеркальных систем стабилизации изображения. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1998. - №2 - с.110-117.

4. D.Bazalcv, A.Gavrilov, J.Mlimclclisliikov. Aerial differential sighting/ observation systems. // Air Fleet. Russian Air Force Aircraft & Space Review , №3, 1998., p.56.

Подп. к печати 04.11.98 ФорматбОхЭО Бумага офсетная Печ.л. 1,25 Уч.-изд. л. 1,25 Тираж 80 экз. Заказ № 230 Цена договорная

МосГУГиК 103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Обзор средств и методов стабилизации изображения в оптических 8 приборах.

1.1. Стабилизация ПРИ относительно заданного направления.

1.2. Демпфирование корпуса ПРИ.

1.3. Устройства стабилизации изображения в ПРИ.

1.3.1. Системы стабилизации изображения (ССИ) с оптическими клиньями.

1.3.2. ССИ с плоскими зеркалами.

1.3.3. Призменные системы стабилизации

1.3.4. Устройства стабилизации с помощью компонентов объективов

1.3.5. Устройства стабилизации с волоконно-оптическими элементами.

1.3.6. Стабилизация изображения посредством механического перемещения 19 приемника изображения.

1.3.7. Электронная стабилизация изображения.

1.3.8. Стабилизация изображения при помощи аппарата зрения человека.

1.4. Системы контроля смещения изображения

1.5. Использование систем плоских зеркал в различных классах приборов.

1.6. Возможности автоматизации проектирования систем стабилизации 26 изображения.

1.7. Выводы

Глава 2. Автоматизация проектирования зеркальных систем управления 30 положением изображения.

2.1. Построение модели динамической оптической системы

2.1.1. Требования к системе визуализации.

2.1.2. Структура алгоритма ВМ.

2.2. Построение различных типов математических моделей на основе 44 базового алгоритма.

2.2.1. Статическое моделирование.

2.2.2. Динамическое моделирование.

2.2.3. Динамическое моделирование в режиме стабилизации

2.3. Выводы

Глава 3. Синтез зеркальных систем управления положением изображения.

3.2. Построение основных типов ЗССПИ 57 3.2.1 Общая структура ЗССПИ

3.2.2. Одноосные ЗССПИ

3.2.3. Двухосные ЗССПИ 69 3.2.3.1. Исследование двухосной системы стабилизации

3.3. Синтез системы имитации колебаний изображения регистрирующего устройства.

3.4. Выводы

Глава 4. Определение оптимальных параметров систем визуализации.

4.1. Различение малоразмерных объектов.

4.2. Различение текстур.

4.3. Визуализация динамических объектов.

4.4. Выводы

Аппаратурные методы непрерывного отображения изображений в сложных динамических условиях требуемого качества с использованием различных способов регистрации - зрительного анализатора человека, фотослоев, координатно-чувствительных фотоприемников, динамических транспарантов и др. связаны с проблемой стабилизации изображения в плоскости их регистрации.

На первых этапах развития кинематографии в начале нашего века указанная проблема решалась, в основном, с помощью различного вида механических устройств, например, в виде маятниковых подвесов. Однако, с развитием киносъемки и с появлением новых средств регистрации изображений требования к системам стабилизации существенно повысились.

С середины XX века аналогичная проблема возникла и в других областях науки и техники, в основном, связанных с автоматизацией производства и оборонной техники. Наряду с традиционными методами стабилизации изображений в этих отраслях промышленности в указанный период стали широко применяться для решения этой задачи гироскопические системы, построенные на различных принципах.

Использование этих методов в современной кино- видеоаппаратуре и др. позволило существенно улучшить качество воспроизводимых изображений, при их непрерывной регистрации и дальнейшим адекватным его восприятием зрительным анализатором человека. Эти особенности реализовывались за счет пространственной стабилизации положения аппаратуры при съемках с подвижного основания и, соответственно, изображений в плоскости их регистрации.

В настоящее время системами стабилизации изображения оснащен широкий круг оптических приборов различного назначения, к числу которых, кроме указанных, относятся различные системы наблюдения, наведения, прицелы и др. В этих приборах в качестве компенсаторов смещений изображения использованы различные компоненты.

Анализ методов построения систем стабилизации этих приборов показал, что в каждом классе приборов они были рассчитаны применительно к различным оптическим системам приборов с применением в качестве компенсаторов различных оптических элементов. При этом установлено, что отсутствует единая методика проектирования систем стабилизации изображения в плоскости регистрации.

В процессе развития техники съемок в последнее время появилась новая задача обратного плана - создавать произвольные колебания изображения при отсутствии пространственного перемещения регистрирующей аппаратуры.

Бурное развитие приборной техники, способной регистрировать подвижные изображения ставит задачу создания единых методик проектирования систем стабилизации изображения. Решение указанных задач в аналитическом виде проблематично. С развитием вычислительной техники становится возможным осуществить данную задачу с высокой степенью приближения математической модели к реальному прибору. Математическое моделирование работы оптических элементов систем управления положением изображения с использованием ЭВМ целесообразно на начальном этапе проектирования описанных приборов. Исходя из вышеизложенного можно считать, что указанные задачи весьма актуальны.

Целью настоящей работы является создание математических моделей, позволяющих выбирать рациональные параметры и режимы работы оптических элементов, управляющих положением изображения. Результаты анализа моделирования должны послужить основой создания методов

1. В результате анализа различных классов систем стабилизации установлена целесообразность использования системы плоских подвижных зеркал для создания универсальных ЗССПИ.

2. Разработана универсальная библиотека алгоритмов для расчета динамических оптических систем.

3. Разработана система моделирования различных классов ЗССПИ, использующая программно-аппаратный комплекс.

4. Результаты исследований основных типов ЗССПИ, вычисленные погрешности стабилизации в существующей двухосной ЗССПИ и предложенные методы устранения данных погрешностей.

5. Предложенная и исследованная в работе система имитации колебаний подвижного основания.

6. Результаты исследования телевизионной системы отображения информации, использованной в разработанных системах моделирования и определенные в работе оптимальные параметры системы отображения для адекватного восприятия графической информации зрительным анализатором человека.

Реализация предложенных методов моделирования ЗССПИ была осуществлена на действующей универсальной двухосной системе стабилизации изображения ОС2-50 и заключалась в практическом применении разработанной системы моделирования при исследовании погрешностей стабилизации и для решения задач устранения сдвига изображения в вертикальной плоскости указанной установки путем дополнительного поворота зеркала. Внедрена также разработанная система создания искусственных движений изображения. Разработанное программное обеспечение совместно с комплексом моделирования используется в научно-производственном центре "Наутэк-холдинг" для проектирования систем стабилизации. Указанные разработки подтверждены актом о внедрении.

Основные положения исследований обсуждались на семинарах кафедры прикладной оптики МИИГАиК и докладывались на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК. проектирования рациональных конструкций зеркальных систем управления положением изображений.

Для достижения цели работы решались следующие задачи.

1. Исследование известных систем стабилизации изображения, их классификация и определение задачи исследований диссертационной работы.

2. Разработка математического программного обеспечения для систем м о делир о в ан ия.

3. Разработка аппаратного комплекса системы моделирования.

4. Исследование основных классов зеркальных систем стабилизации, моделирование различных конструктивных решений по построению универсальных зеркальных систем стабилизации изображений.

5. Моделирование и построение системы для компенсации погрешностей работы систем стабилизации.

6. Разработка зеркальной системы управления положением изображения в плоскости регистрации по заданным программам.

7. Разработка принципа визуализационного моделирования и связанных с ним особенностей воспроизведения статического и динамического изображения телевизионными системами.

8. Разработка и исследование физической модели системы стабилизации изображения.

Основными положениями, выносимыми на защиту являются:

1. Методика построения визуализационных моделей ЗССПИ.

2. Алгоритмы, используемые в разработанных моделях.

3. Методы моделирования одно- и двухосных ЗССПИ на базе разработанных алгоритмов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

4.4. Выводы

1. Таким образом, были определены границы области применения телевизионных систем, при которых не происходит нарушения естественного впечатления при наблюдении сцены.

2. Выведены параметры систем телевизуализации изображений естественной сцены при решении оператором задачи вычленения малоразмерного объекта без его идентификации или различения одинаково освещенных объектов (с одинаковой визуально воспринимаемой яркостью), имеющих различные текстуры (угловые поля, фокусные расстояния проецирующей оптики) а также при визуализации динамической картины.

3. Допустимые параметры колебательного движения основания при заданных параметрах системы визуализации

4. Определено требуемое число элементов дискретизации монитора N, обеспечивающее просмотр углового поля телевизионной системы ©т.с без потерь разрешения /min, связанных с колебаниями основания:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа литературных источников, посвященных известным системам стабилизации изображения в ПРИ, а также современных требованиям к ним установлена перспективность универсальных, автономных зеркальных систем стабилизации и определены задачи их исследований.

2. Обоснованы принципы автоматизации проектирования зеркальных систем стабилизации и разработки математических моделей систем управления положением изображения.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс и программное обеспечение для осуществления визуализационного моделирования. Сформулированы требования к его основным элементам. При построении моделей использован принцип объектно-ориентированного программирования, позволяющий модифицировать основные блоки программы.

4. Разработаны основные варианты построения визуализационных моделей, использующих базовый алгоритм: статическая, динамические.

5. На основе разработанных математических моделей исследованы основные типы зеркальных систем стабилизации положения изображения (одноосные, двухосные), приведены возможные варианты реализации зеркальных блоков.

6. Проведен физический эксперимент на базе двухосной ЗССПИ ОС2-50. Выявлено наличие нескомпенсированного смещения изображения в режиме стабилизации вдоль вертикальной оси. С помощью разработанной системы динамического моделирования определены численные значения указанного смещения. С использованием численных методов определена полиномиальная зависимость угла, соответствующего описанному смещению изображения, от угла поворота ЗССПИ. Модернизирована схема

101

ЗССПИ с целью исключения существующей ошибки стабилизации введением дополнительного устройства в электронную схему установки.

7. Разработана и исследована установка для имитации колебаний подвижного основания, позволяющая управлять положением изображения системы регистрации по заданной программе без создания механических колебаний всей установки.

8. Определены границы области применения телевизионных систем, используемых при визуализационном моделировании, при которых не происходит нарушения адекватности восприятия исследуемого изображения. Определены параметры системы оператор-дисплей. Определены допустимые параметры колебательного движения основания при заданных параметрах системы визуализации.

1. Андреева Е.А., Венргилес Н.Ю., Ломов Б.Ф. Механизм элементарных движений глаз как следящая система. В кн: Моторные компоненты зрения. М„ 1975, с. 7-55.

2. Андронов A.A., Витт, A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959.

3. Анитропова И.Л., Голованевский Г.Л. и др. Система эвристического синтеза оптических систем.-М.:Препринт ИПМ АН СССР, №31, 1990.

4. Апенко М.И., Дубовик A.C., Дурейко Г.В. и др. Прикладная оптика. М., Машиностроение. 1992, 480 с.

5. Астапов Ю.М., Васильев Д.В., Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988, с. 172-215.

6. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра, 1968, 255 с.

7. Бабаев A.A. Стабилизация оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1975.

8. Бабенко В.А., Буравцев A.B. Антивибрационная балансирная опора для проведения киносъемок с вертолетов, "Техника кино и телевидения", 1976, №1.

9. Бартусявичус Э. Влияние сходства форм изображений на точность их узнавания: Автореф. дис. канд. биол. наук., Л., 1984 г.10. "Бинокль со стабилизированным полем зрения." Проспект Красногорского механического завода, 1997

10. Будкин В.Л., Меламед Ю.И. и др. Гиростабилизатор киноаппарата для съемки с движения. "Техника кино и телевидения", 1979, №9.

11. Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов.-М.: Изд-во МГУ,1976.

12. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. М.: Сов.радио, 1975. 425 с.

13. Вангалас В., Бальколите О., Кирвялис Д., и др. Зрительный анализатор человека как "активная" система узнавания. В кн: Биофизика зрения. Вильнюс, 1978, с. 53-71.

14. Волоконно-оптические датчики./Под ред. Т.Окоси: Л.: Энергоатомиздат, 1990 - 256 с.

15. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М.: "Искусство", 1978, 543с.

16. Гаврилов А.Ю. Определение пространственных характеристик качества приемников и преобразователей оптических сигналов. Доклад на 9-ой Всероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", М., 1992, 25 с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.-М.: Наука, 1966.

18. Глезер В.Д., Бертулис A.B. О функциональной перестройке рецептивного поля. В кн.: Механизмы опознания зрительных образов., Л., 1967, с. 5 - 9. (Пробл. физиол. оптики; т. 14).

19. Гришин Б.С. Юстировка сложных оптических систем приборов. -М.: Машиностроение, 1976 205 с.

20. Дубовик A.C. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1984, 320 с.

21. Егоров Б.К. Устройство "Горизонт" для съемки с движения, "Техника кино и телевидения", 1979, №9

22. Елизаренко A.C., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984, 215 с.

23. Еськов Д.Н., Ларионов Ю.П. и др. Автоматическая стабилизация оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1988, 240 с.

24. Калабин В.Б., Бабенко В.А., Буравцев A.B. Гиростабилизирующая установка для киносъемок с движущегося основания. "Техника кино и телевидения", 1973, №5

25. Кинофототехника. Информационный сб. Вып. 3 / НИКФИ. М.,1992, с.7-20.

26. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М.: Недра, 1985, 148 с.

27. Кульчицкий H.JI. Применение гироскопов в съемочной технике. "Техника кино и телевидения", 1967, №2.

28. Леонова В.Б. Автоматизация расчетов оптических систем. М.: Машиностроение, 1970, 288 с.

29. Нисский A.B., Большунов и др. Операторское вспомогательное оборудование. Обзорная информация, М., 1981, вып.6.

30. Нефедов Б.Л. Методы решения задач по вычислительной оптике. -М.; Л.: Машиностроение, 1966. 265 с.

31. Патент Великобритании № 1374765.

32. Патент США №3004271, 7.10.68.

33. Патент США № 3014376, 4.07.69

34. Патент США № 3467350, 11.11.68

35. Патент США № 3577206, 19.04.68

36. Патент США № 3638502, 7.08.69

37. Патент США №3910693, 13.07.74

38. Патент США № 4206983, 10.06.80

39. Патент США №4260218, 7.04.81

40. Патент США №4316649, 23.02.82

41. Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации: Справ, пособие. М.: Машиностроение, 1982. 165 с.

42. Погарев. Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник, Л.: Машиностроение, 1989, с.55-78.

43. Проспект фирмы "CANNON", 1997 г.

44. Проспект фирмы "SONY", 1996 г.

45. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Т. 1/Пер. с .англ. М.: Мир, 1982.

46. Ривкин С.С Теория гироскопических устройств. Кн.2, Л.: Судостроение, 1964. 545 с.

47. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.:М-е, 1982, 307 с.

48. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989, 383 с.

49. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969, 670 с.

50. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989, 221 с.

51. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения. Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. Вып. 9. с. 62-69.

52. Соул X. Электронно-оптическое фотографирование. М.,Воениздат, 1972.404 с.

53. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. М.Я. Кругера и В.А. Панова, Л., Машиностроение, 1978, 760 с.

54. Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. М.: Радио и связь, 1990, 112 с.

55. Торочков В.Ю. Компенсация колебаний киносъемочного аппарата. М., 1982 (НИКФИ, Кинофототехника. Обзорная информация). Вып.7

56. Торочков В.Ю. Стабилизация положения кинокамеры относительно снимаемого объекта. "Техника кино и телевидения", 1967, №2.

57. Хуанг Т. Обработка изображений и цифровая фильтрация. М., Мир, 1979,320 с.

58. Шелепин Ю.Е., Герчикова В.Ф. Зависимость между размером и эксцентриситетом рецептивных полей нейронов латеральной супрасильвиевой области. // Физиол. журн.

59. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. НПФ "Диалектика", Киев, 1993, 300 с.

60. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. 359 с.

61. Akigama Т., Collard D. Integrated motion system for self-alignment of micro-optical devices // Proc.SPIE. Vol.2783, 1997, pp.117-124.

62. American Cinematographer, 1961, №11

63. Bazalev D., Gavrilov A., Khmelchshikov J. Aerial differential sighting/observation systems. // Air Fleet./ Russian Air Force Aircraft & Space Review, N3, 1998., p.56

64. Bedienungsanleitung fur das Kamerastabilisirungsgersst K-70, DEFA,1972.

65. Chen D., Cheng Y. Research on the architecture and modeling method of fixture intelligent computer-aided design systems. // Proc. SPIE, Vol.2620, 1995, pp.70-75.

66. Chikovani V. Laser device for three-axis orientation measurements with low sensitivity to gyro errors (computer simulation results). // Optical Engineering. Vol.34/04, 1995, pp.1008-1012.

67. Internet site: http://www.os.sri.com/vision.

68. Jenkins S., Hilkert J. Line of sight stabilization using image motion compensation. // Proc. SPIE, Vol.1111, 1989, pp.98-100.

69. Kaiser W., Barstein A. Microelectromechanical gyroscope analysis and simulation using SPICE electronic simulator. // Proc.SPIE. Vol.2642, 1995, pp.225-232.

70. Lewis G. Three-axis image stabilization with two-axis mirror. // Proc. SPIE, Vol. 1156, 1990, pp.309-313.

71. Masten M., Stockum L. Selected Papers on Precision Stabilization and Tracking Systems for Acquisition, Pointing and Control Application // Proc.SPIE, Vol MS 123, 1996, 700 pp.

72. Paisley D. 22-th International Congress of High-Speed Photography and Photonics // Proc.SPIE, 1997, 1013 p.

73. Ruda M. Fundamental of Optical Alignments Technics. II Proc. SPIE. Vol. VT110694, 1994, 268 p.

74. Smirnov A. Image stabilization in small satellite optoelectronic remote sensing systems. 11 Proc.SPIE. Vol.3119, 1997, pp.36-45.

75. Stephen L., Sayon B. Optical Scanning Systems Design and Application. // Proc. SPIE, Vol.3131, 1997, 318 p.

76. Trivedi M., Copeland A.Texture perception in humans and computers modedls and psychophysical experiments. // Proc. SPIE, Vol.2742, 1996, pp.436446.

77. Weiner D. Design consideration for Optical Scanning // Proc.SPIE, Vol.3131, 1997, pp.59-64.

78. Yang Y. Image Automatic Stabilization and Tracking In Convergent Light. // Proc. SPIE, Vol. 1697, 1992, pp.504-509.

79. Yao Wu, Tongshu L. Study on image-stabilizing reflecting prisms in case of a finite angular perturbation. // Proc. SPIE, Vol.1527, 1991, pp.448-455.

80. Yuejin Z. Line-of-sight steering and stabilization. // Proc.SPIE, Vol.21, 1982, p.96.

81. Yuejin Z. New image-stabilized system. // Proc. SPIE, Vol.2739, 1996, pp.319-323.

82. Zeng Y., Jing J. Computational model for design. // Proc. SPIE, Vol.2644, 1996, pp.638-643.108