автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод оптимального размещения TV-модулей для распределенного контроля объектов в дисперсной среде

На правах рукописи

ГОРШКОВ АЛЕКСЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ

МЕТОД ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ГК-МОДУЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ В ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЕ

05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Орел 2013

005541055

Работа выполнена в государственном казенном образовательном учреждении высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Ларкин Евгений Васильевич

Иванов Юрий Владимирович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО "ТулГУ", профессор кафедры "Приборы управления"

Иванов Юрий Борисович, кандидат технических наук, Академия ФСО России, доцент кафедры

ОАО "Московский научно-исследовательский радиотехнический институт" (ОАО "МНИРТИ")

Зашита состоится 24 декабря 2013 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 212.182.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д. 29, аудитория 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс".

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.182.01 Волков Вадим Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Комплексы аппаратуры распределенного контроля, в которых конечным потребителем видеоинформации является человек-оператор, выполняющий функции наблюдения зоны контроля и принятия решений при возникновении на ней нештатных ситуаций, в настоящее время применяются в различных областях народного хозяйства, в частности, в промышленных системах контроля технологических процессов. В качестве сенсоров в подобных системах используют 7У-модули, которые содержат телекамеры, размещаемые на подвижном или неподвижном основании по наблюдаемой площади. 7У-модули формируют видеосигналы, которые передаются по линиям связи на центральный пункт наблюдения и управления. На экране монитора видеосигналы с разных модулей мультиплексируются, и из отдельных составляющих формируется общее изображение контролируемой зоны, отдельные фрагменты которой могут быть показаны под разными ракурсами.

Эффективность подобной аппаратуры во многом определяется техническими характеристиками применяемых 7У-модулей, которые, во-первых, должны быть адаптированы к условиям освещения зоны контроля, во-вторых, должны обеспечивать поле зрения, согласованное с возможностями, восприятия изображений человеком-оператором, а в-третьих, при заданных параметрах зоны контроля обеспечивать требуемое покрытие всей наблюдаемой территории.

Вопросы проектирования подобных систем, включая вопросы согласования технических характеристик отдельных модулей с возможностями оператора с целью обеспечения требуемого уровня восприятия, а также размещение 7У-модулей в зоне наблюдения с минимизацией длины коммуникаций, к настоящему времени проработаны только для частных случаев и недостаточно полно учитывают свойства среды и расположение контролируемых объектов. Все это делает задачу разработки метода оптимального размещения 7'К-модулей при распределенного технологического контроля в дисперсной среде весьма актуальной.

Объектом исследования в диссертационной работе является система распределенного контроля объектов, функционирующих в дисперсной среде.

Предметом исследования диссертационной работы являются показатели эффективности применения 7У-модулей в системах распределенного контроля и методы, обеспечивающие улучшение восприятия изображений при различном состоянии атмосферы и конфигурации объектов контроля.

Общей теорией создания оптико-электронной аппаратуры распределенного контроля занимались отечественные и зарубежные ученые: Р. Гонсалес, Г. Н. Гря-зин, В. В. Еремеев, В. К. Злобин, Р. Е. Быков, А. Папулис, У. Прэтт, М. Птачек, В. А. Сойфер, В. С. Титов и др. В известных трудах по теме исследования разработаны методы математического моделирования различных элементов оптико-электронных преобразователей и аппаратуры на их основе.

Предлагаемый общий подход к исследованию аппаратуры распределенного контроля опирается на аналитические методы математического моделирования элементов оптических систем и оптико-электронных преобразователей 7У-модулей и их применения в составе аппаратуры контроля. Математические модели оптико-механической части системы сформированы по законам геометрической оптики, а

пространственно-частотные характеристики получены путем приложения корреляционной теории сигналов к оптическим системам. Общий метод проектирования аппаратуры распределенного контроля разработан на основе теории принятия оптимальных решений.

Целью диссертационной работы является повышение уровня восприятия изображений оператором и расширение зоны распределенного контроля в условиях дисперсной среды и при наличии загораживающих объектов с минимизацией аппаратурных затрат и стоимости коммуникаций.

Основные задачи исследований.

1. Анализ структур распределенного контроля и обоснование общих требований к характеристикам 7У-модулей, используемых в качестве сенсоров в аппаратуре технологического контроля исследуемого класса.

2. Разработка математических моделей пространственной динамики ТУ-модулей на объектах контроля, основанных на корреляционной теории изображений с учетом фотометрических и динамических характеристик модулей.

3. Получение функций рассеяния 7У-модул я в виде кривых Гаусса с учетом сферических аберраций объектива, реакции фотоэлементов и свойств среды распространения.

4. Разработка методик аналитической оценки и экспериментального определения границ зоны контроля ГК-модуля на основе критерия Джонсона с учетом реальных параметров системы зрительного восприятия человека-оператора.

5. Определение параметров поля зрения 7У-модуля в земной системе координат с учетом местоположения и его ориентации в пространстве.

6. Разработка методики определения общей площади распределенного контроля на основе ГК-модулей с учетом перекрытия полей зрения, эффекта загораживания и появления динамических "мертвых зон".

7. Разработка методики оптимального распределения 7У-модулей по территории с учетом конфигурации и площади зоны контроля при одновременной минимизации общей длины кабельной сети.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработан метод оценки суммарной функции рассеяния ГК-модуля по основным параметрам его элементов, основанный на аппроксимации функции рассеяния кривыми Гаусса, отличающийся учетом особенностей распространения света в дисперсной среде, что позволяет увеличить информативность формируемого видеосигнала за счет минимизации среднеквадратичной ошибки аппроксимации.

2. Разработана методика определения границ поля зрения 7У-модулей в аппаратуре распределенного контроля, основанная на использовании критериев восприятия Джонсона, отличающаяся учетом распределения модулей по наблюдаемой территории и ориентации их в пространстве, что позволяет повысить уровень восприятия изображения оператором при наличии загораживающих объектов в контролируемой зоне.

3. Предложена методика оптимального размещения 7У-модулей в зоне распределенного контроля, основанная на плане размещения и параметрах контролируемых объектов, отличающаяся учетом механизма возникновения и параметров динамических "мертвых зон", что позволяет обеспечить максимальную площадь зоны наблюдения и минимизировать стоимость коммуникаций.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод размещения 7У-модулей при распределенном контроле объектов позволяет снизить трудоемкость проектных работ и повысить качество проектирования аппаратуры распределенного контроля.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптических и оптико-электронных блоков, существующих подходов к определению уровней восприятия и структурно-параметрической оптимизации, а также экспериментальными исследованиями параметров ГК-модулей аппаратуры распределенного контроля.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения суммарной функции рассеяния 7У-модул я с аппроксимацией функции рассеяния элементов кривыми Гаусса по критерию минимума среднеквадратичной ошибки, позволяющий увеличить информативность формируемого видеосигнала в условиях дисперсности контролируемой среды.

2. Методика определения границ поля зрения ТУ-модуля с известными координатами его размещения и ориентацией в пространстве на основании критериев восприятия Джонсона, позволяющая повысить уровень восприятия контролируемых объектов оператором с учетом наличия загораживающих объектов в зоне контроля.

3. Методика оптимального размещения 7У-модулей при распределенном контроле, позволяющая обеспечить максимальную площадь зоны наблюдения и минимальную стоимость коммуникаций за счет учета механизма возникновения и параметров динамических "мертвых зон".

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации метод и реализующие его методики распределенного контроля объектов внедрены на ЗАО "Научприбор" (г. Орел), а также используются в учебном процессе на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" ТулГУ (г. Тула) при преподавании дисциплин "Основы информационных устройств роботов" и "Основы технического зрения и цифровой обработки изображений".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях.

1. XXX Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: Тульский государственный университет, 2012.

2. Шестая Всероссийская научно-практическая конференция "Системы управления электротехническими объектами "СУЭТО-62". - Тула: Тульский государственный университет, 2012.

3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2011 - 2013 гг.

По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 2 статьи в научных изданиях, рекомендуемых ВАК для публикаций материалов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 164 страницах машинописного текста и включающих 56 рисунков и 8 таблиц, заключения, списка использованной литературы из 170 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы исследования, сформулированы цели и основные научные задачи диссертационной работы, дано краткое изложение полученных результатов по основным разделам.

В первой главе проанализировано назначение и свойства аппаратуры распределенного контроля на основе 7У-модулей.

Показано, что разработка и эксплуатация аппаратуры распределенного контроля на базе ГК-модулей связана с затратами, зависящими от объема информации, представляемой на пункт наблюдения, что приводит к необходимости минимизации количества источников первичной информации за счет их рационального размещения по контролируемой территории.

Аппаратура распределенного контроля представлена в виде графа, ребра которого являются моделями коммуникаций, а вершины моделируют 7У-модули и пункт сбора информации и управления. Приведена функциональная схема модулей, формирующих видеосигнал при наблюдении за зоной контроля, описаны этапы преобразования сигнала в ГК-модулях, в том числе в твердотельных фотоэлектронных преобразователях.

Установлено, что для расширения поля зрения в 7У-модулях применяют датчики, имеющие до двух степеней свободы относительно неподвижного основания. В этом случае с помощью механических приводов горизонтального и вертикального наведения обеспечивается пространственное перемещение оптической оси прибора по углам азимута и места Э(/), соответственно. Кроме того, объектив датчика может иметь изменяемое фокусное расстояние и диафрагму, которые также меняются с помощью электромеханических узлов.

По классификации аппаратуры распределенного контроля с 7У-модулями определен ее тип: это пассивная (без подсветки) и без оптической коррекции монохромная многомодульная система с твердотельными фотоэлектронными преобразователями и восприятием изображения оператором.

Определены системы координат, в которой функционируют ГК-модули. Земная система координат Оху: связана с цифровой картой местности или с планом охраняемой территории, а система координат пространственного положение оптической оси /7-го модуля задается в виде углов азимута ц)п и места 9„.

Формирование цифровой модели изображения [£>д] сводится к последовательным преобразованиям двумерного пространственного сигнала

О = /^вхОО^ных^'V2qвыx(a ...), (1)

где 4 = (4ь .... £,/.) - вектор обобщенных пространственных координат; с, - один из параметров света, имеющий пространственную модуляцию двх на входе и ¡;вых -на выходе из элемента; К - некоторая скалярная функция; при этом

Ч*.....£>• .....4>.....

Выражение (1) описывает пространственную динамику элементов ГК-модуля, которая изменяет разрешение, резкость и контраст изображения в зависимости от решений дифференциальных уравнений.

В спектральной области решение имеет вид произведения спектра сигнала ?вхЦ/) на передаточную функцию): ^вых!0^/)^

Показано, что частотные характеристики ГК-модулей, применяемых в аппаратуре распределенного контроля, оказывают существенное влияние на информативность формируемого видеосигнала и количество применяемых устройств. Ухудшение разрешающей способности приводит к сокращению контролируемой зоны зрения 7У-модулей при сохранении уровня восприятия. Это, в свою очередь, приводит к увеличению количества 7У-модулей, необходимого для покрытия той же площади и увеличением коммуникаций, а также согласованием параметров отдельных 7У-модулей в составе распределенной аппаратуры.

Сформулирован общий подход к оптимизации размещения 7У-модулей в зоне контроля с учетом их технических характеристик.

Во второй главе проведен анализ основных параметров элементов тракта прохождения сигнала и тракта аппаратуры распределенного контроля в целом.

На оптической схеме формирования модулированного светового потока определена освещенность фоточувствительных ячеек фотоэлектронного преобразователя ЕК' по освещенности наблюдаемой поверхности Ек в виде

4(1+*оГ

где 0 < к < 1 - коэффициент пропускания; (о^//) - относительное отверстие объектива; к0 — его кратность.

Освещенность элемента изображения в точке, удаленной и наблюдаемой под углом ф от главной оптической оси, определяется по зависимости:

Е\ =£(А(ф)соз4ф'

где Е0 - освещенность в центре поля зрения объектива; £, - освещенность в наблюдаемой точке; /св(ф) - коэффициент виньетирования.

Первым приближением изображения геометрической точки в виде кружка рассеяния объектива, имеющего диаметр с!кр = И-о^//, зависит от глубины резкости

И, будет первая производная от площади сегмента круга с диаметром, равным диаметру кружка рассеяния (изображение с резкой границей). Точным приближением (изображение с размытой границей) является функция Гаусса

к о ч2

и-о = ————тт-Г

4л/2п (1 + к0 ) Ь\и кр /

где ¿(¿кр) = 0,33с/кр определяется из минимума среднеквадратичной ошибки двух

к_ /<л2

40 +*о)2

Передаточная функция объектива для функции (2) имеет вид кривой Гаусса:

^ * , М (2)

приближений; к0 = —-;—- ■ (о^ //)2 - статический коэффициент передачи.

2

)2[у] ехр^зз^)2*2^). (3)

При эксплуатации аппаратуры распределенного контроля зона наблюдения располагается на открытом воздухе. В этих условиях туман, часто встречающийся на пути распространения света, влияет на параметры поля зрения ГК-модуля. Каждая частица диспергента формирует усредненную индикатрису рассеяния, что приводит к появлению дополнительного кружка рассеяния с диаметром и изменению освещенности изображения точки в фокальной плоскости объектива:

Ещ.ко'М-с^гі)

ехр

"2•(o,ЗЗrfJ,

(4)

-ехр

2(0,33 <)2

где гд — радиус частицы диспергента; V + \\12„ <о^/21п телесный угол, под которым наблюдается входной зрачок объектива из средне удаленной частицы диспергента; — расстояние от входного зрачка объектива до центра рассеивающей среды, Д^

— длина отрезка оптической оси, вдоль которого распределен диспергент; сд — концентрация диспергента.

Предложен метод оптимальной аппроксимации сложной функции (4) на кри-

вую

Гаусса вида = /і-(о,33<і^}]

для упрощения рас-

четов по критерию минимума среднеквадратичного отклонения.

Показано, что ячейка матричного фотоэлектронного преобразователя имеет импульсный отклик и передаточную функцию соответственно такого вида

л/2л(0,85р)

ехр

2(0,85Р)2

И7,

(а),)=Ляехр(-2(0,85(3)2 я2со|),

где 2р х 2(3 — апертура окна ячейки; кя - статический коэффициент передачи. Показано, что суммарная передаточная функция ГК-модуля и суммарная функция рассеяния определяются выражениями

( с2 Л

2 ЬІ

(5)

2 2 2 2

где = 6Д + Ь0 + Ья; причем Ьд, Ь0, Ья — параметры кривых Гаусса среды распространения, объектива и фотоэлектронного преобразователя, соответственно;

= кякакя; кд, к0, кя — статические коэффициенты среды распространения, объектива и фотоэлектронного преобразователя.

Логарифм от обеих частей суммарной передаточной функции представляет собой логарифмическую частотную характеристику (ЛЧХ) 7У-модуля:

1п[^(сон)] = 1п/сд + 1пАо + 1п/ся - (Ь2 д + Ь2о + Ь2я)со2н. (6)

ЛЧХ отдельных элементов и суммарная ЛЧХ имеют вид квадратичных парабол, симметричных относительно оси ординат (рис. 1).

В третьей главе на основе критерия Джонсона разработаны методики экспериментального и аналитического определения дальней границы поля зрения 7У-модуля, обеспечивающие заданный уровень восприятия изображения.

Показано, что автоматизация процесса идентификации контролируемых объектов включает этап видеомониторинга наблюдаемой зоны оператором, поэтому аппаратура распределенного контроля должна проектироваться с учетом эргономических особенностей человека-оператора.

Для оценки видеопараметров ТУ-модуля по критерию визуального восприятия Джонсона применен расчет параметров изображения количества периодов миры на пределе разрешения и сопоставление этого количества с размерами соответствующего изображения, формируемого той же системой контроля.

При соответствии размеров изображения и миры требуемый уровень восприятия (обнаружение - 1,0 ± 0,25 пар линий, ориентация - 1,4 ± 0,35 пар линий, распознавание - 4,0 ± 0,8 пар линий, идентификация - 6,4 ± 1,5) может быть достигнут.

При оценке разрешающей способности человеческого глаза от ряда параметров установлено, что теоретический предел разрешающей способности глаза находится в зеленой области спектра света и равен 0,03', а с учетом фокусного расстояния хрусталика и размеров палочек его разрешение ухудшается до 0,06'.

Разработана методика определения дальней границы поля зрения 7У-модуля, предусматривающая:

— съемку миры максимального контраста с помощью ГК-модуля, наблюдение изображения штриховой миры на мониторе и определение группы штрихов, для которой пространственная модуляция при ориентации 0°, 90° и ± 45° еще устойчиво различима;

— определение по таблице Джонсона размеров области изображения (в пикселях) или количества пар штрихов для выбранного уровня восприятия;

— для выбранного объекта восприятия определена дальность, на которой его проекция на плоскость фотоэлементов УК-модуля вписывается в область, определенную по штриховой мире таблицей Джонсона.

Полученный передний отрезок будет являться граничным значением поля зрения объектива, обеспечивающим требуемый уровень восприятия.

Сформирована математическая модель поперечного сечения штрихов стандартной штриховой миры максимального контраста, нормированной в интервале значения модулируемого параметра й - 0 -з- 1:

Рис. 1. Графики логарифмических частотных характеристик

0(0= Т,г\к-Т-Л/Г)-ч\{ЗТ + 4/Г-$, (7)

}=- 2

где 2Т— период следования штрихов; г|(£,) — единичная функция Хевисайда.

Выходной аналоговый сигнал 7У-модуля определяется интегралом свертки его функции рассеяния (5) с входным сигналом (7):

Я00=>ъ00-£(0= ¿&-Г-4,ТК0--37'-4,Т), (8) У=-2

где

ь. 1 т "Ж 1 \ ¡х.л г"1

/ 1 \ 1 ¡\ Л Л Л

1 / 1 1 \ 1 / \ / \ ' \ 1

1 , / 1 \1 ! М 1 1 1 V ' V \

1 V ! 04 \

-57" от 5 т » -5 Г 0Г 5 т (

0(0 Т-2

Г <1 Л

/ \ / \

/ / \ 0«у \

Вид функции (8) для различных значений показан на рисунке 2.

Согласно графикам (рис. 2), увеличение параметра Ь£ функции рассеяния, описываемой кривой Гаусса, приводит к уменьшению модуляции изображения миры. При ¿>£ / Г = 2 изображение миры практически не имеет пространственной модуляции. Среднее значение порога для обнаружения перепада освещенности составляет 6,3 %. Для устойчивой идентификации необходимо, чтобы глубина модуляции составляла З-т-4 пороговых значения перепада, что согласуется с критерием Релея, согласно которому провал между пиковыми значениями изображения должен составлять около 27 %.

Методика аналитического определения дальней границы поля зрения:

- по заданным параметрам объектива, фотоэлектронного преобразователя и условиям эксплуатации выполняется расчет параметра Ь£;

- для рассчитанного значения по зависимостям выполняется подбор параметра Т, обеспечивающего глубину модуляции 27 % в функции (8);

- по требуемому уровню восприятия определение по таблице Джонсона размеров области изображения (в пикселях) выбранного количества пар штрихов;

- определение дальности для выбранного объекта восприятия, на которой его проекция на плоскость фотоэлементов 7У-модуля вписывается в область, определенную по штриховой мире и таблице Джонсона.

Показано, что поле зрения 7Г-модуля представляет собой трапецию, боковые стороны которой формируются сторонами угла зрения объектива 2<роу, меньшая

сторона перпендикулярна главной оптической оси и находится на расстоянии наименьшего переднего отрезка объектива, а большая сторона определяется по критерию Джонсона в соответствии с заданным уровнем восприятия.

Рис. 2. Графическое представление сигнала 7У-модуля по (8)

Если TV-модуль поднимается выше уровня объектов контроля и наклоняется на угол места Э„, то высота h нерелевантной части наблюдаемого объекта входит в зависимость для дальней границы контролируемой зоны.

Ближняя и дальняя границы зоны контроля определяются по выражениям

¿0 = irzn ~ A)ctg(<Poz +3„), Lj ={h-rzn + L) sin 9„ Jtg 9„ + L) eos 9„, (9) где j = 1, 2, 3, 4 - уровни восприятия; rzn - высота подъема модуля над Землей, Lj - положение дальней границы в соответствии с заданным уровнем восприятия без учета подъем модуля; 2cpoz - угол зрения объектива по вертикали.

Для общего случая расположения ГИ-модуля со смещением точки установки Оп на величины гхп, гуп и поворотом модуля на угол азимута \\in определены координаты угловых точек трапеции поля зрения.

Получены условия попадания произвольной точки с координатами х,у внутрь рапеции поля зрения в виде систем неравенств для шести случаев: О°<Ц1п< 90° - фоу; 90° - сроу < ц/„ < 90° + q>0J,; 90° + Фоу < < 180°; 180° < V„ <

270° - q>0J,; 270° - Фо>, < ч/„ < 270° + фоу; 270° + <роу < \уп < 360°, где 2 <роу - угол

зрения объектива по горизонтали; у „ - угол азимута расположения «-го модуля.

Определена площадь перекрывающихся полей зрения на основе двух выпуклых четырехугольников AnAi2A\iAu и ^21^22^23^24 общего вида и самого общего расположения, которые имеют координаты угловых точек Х\ = {(хи, .Ун), (*i2, Уи), (*13,.V13), (^h.jh)},^ = {fcb^i), (хгъУи), (х2з,У2з), (хг*,у2л)} и могут перекрываться.

Разработана методика определения площадей пересечения выпуклых четырехугольников, исходными данными которой являются:

— два множества координат угловых точек полей зрения;

-два множества Qx = {<7п, 912, qn, <7н}, Qi = {qi\, Чгг, Чп, Чи}, каждый из четырех элементов которого представляет собой неравенство, выбираемое по условию попадания произвольной точки с координатами х,у внутрь трапеции поля зрения;

- два множества Р\ = {ри, Ри, Рп, Р\л} и Р2 = {ргь Р22, Ргз. Ри} из четырех уравнений, описывающих граничные прямые полей зрения 7У-модулей.

Методика предусматривает определение всех угловых точек выпуклого многоугольника перекрытия, его разбиение на неперекрывающиеся треугольники с определением площадей треугольников по формуле Герона и суммированием полученных площадей.

Получены зависимости для сокращения поля зрения 7У-модуля загораживающими предметами, представленными на плане в виде отрезка прямой общего расположения с координатами крайних точек (xn.j'ii) и (xi2,yi2) соответственно и отрезка кривой, заданной в параметрической форме как [jc(í), >"(0] •

Считается, что ненаблюдаемой "мертвой зоной" является часть зоны контроля, ограниченная многоугольником, одной из сторон которого является дальняя граница поля зрения. "Мертвая зона" формируется в виде многоугольника, максимальное количество вершин у которого равно 5. Для многоугольника известны координаты углов, поэтому площадь "мертвой зоны" может быть определена по методике, аналогичной расчету площади перекрытия полей зрения.

В четвертой главе изложены методики проектирования аппаратуры распределенного контроля, описан механизм возникновения и параметры динамических "мертвых зон", методики оптимального распределения 7У-модулей по территории зоны контроля и оптимального проектирования коммуникаций.

Расширение функциональных возможностей ГК-модуля может быть достигнуто за счет изменения пространственного положения главной оптической оси, фокусного расстояния и диафрагмы объектива с помощью оптико-механических узлов.

Показано, что "мертвые зоны" контроля в системе с динамическими ТУ-модулями могут быть разделены на два типа: зоны, которые возникают только во время переходных процессов за счет явления "смаза", и зоны, в которых при разных состояниях 7У-модулей наблюдаются разные части пространства.

"Мертвые зоны" первого типа исчезают в статическом режиме наблюдения, а для компенсации "мертвых зон" второго типа необходимо постоянное сканирование пространства.

Формирование динамической "мертвой зоны" при вращении 7У-модуля в зоне контроля по углу азимута приведено на рисунке 3. На этом рисунке 3 наблюдаемая зона делится на кадры с номерами -./, ..., у ..., О, ..., у ..., ./, а ориентация у-го кадра определяется углом 1|/„ у.

При формировании кадра с номером у = О главная оптическая ось 7У-модуля совпадает с направлением оси Опхп.

Соседние положения оптической оси формируются с шагом Ац;п- Перекрытие кад-

Рис. 3. Форма "мертвой зоны при ров по углу на 3 -4- 5 % требуется для ис-вращении ГК-модуля по азимуту ключения статических «мертвых зон».

Разработана методика определения "мертвой зоны" первого типа по максимальной скорости вращения у„тах 7 К-модул я и расчета динамической апертуры ячейки фотоэлектронного преобразователя с учетом времени /н накопления заряда Рд = Флшах'н- Увеличение апертуры ячейки приводит к приближению дальней границы поля зрения в соответствии с критерием Джонсона.

Общая наблюдаемая площадь при вращении оптической оси по углу азимута при неизменном фокусном расстоянии и угле места определяется как

5дмз =1(2^ + 1^ +2фо-Дч,„К^-£о)- (10)

Величина "мертвой зоны" второго типа определяется как площадь сектора, заштрихованного на рисунке 3.

■^дмз ~

-

Фо-

2, если у = 0; 1, если у Ф 0,

(¿/-¿о).

где J— количество кадров наблюдения.

Вращение оптической оси по углу места 9„ приведено на рисунке 4.

В отличие от вращения по углу азимута динамическое поле зрения не разбивается на отдельные кадры, поэтому можно оценить только общее изменение ПОЛЯ зрения при крайних угловых положениях главной оптической оси.

При крайних углах 3„ местоположение точек дальних границ поля зрения L'j L"j вычисляется по зависимостям L'j = (r.„ — Н)-cos(S„ + фо;) и (10), соответственно.

Местоположение ближних границ поля зрения ¿о и L"0 определяется по (9) для азных значений угла 9п. «Мертвая зона» первого типа рассчитывается по такой же методике, в формулы которой вместо угла ц/„ подставляется угол 9„. Общая наблю-аемая площадь и площадь «мертвой зоны» контроля определяются по выражениям:

= (^y'max + ^Omin fajmax ~ ^Omin »

^дмз = SnZ ~~ (^/гек + ^-Отек ' ~ ^-Отск )'8Фоу

где ¿omin _ ближняя граница поля зрения, получающаяся при минимальном угле места 9„mjn, обеспечивающая j-й уровень восприятия; Ljmax - дальняя фаница поля зрения, которая получается при максимальном угле места Э„тах.

Появление динамических «мертвых зон» при изменении фокусного расстояния объектива определяется через общее поле зрения по формуле

Snl = {L'j + L'0lL'j - L'0)tg(?'oy + L'j(L"j-L'j)tg4>'oy.

Динамическая «мертвая зона» определяется по формуле

*5дш = ~ (^у'тек + ¡Отек А^утек _ ^-Отек )18Фоугек •

Изменение диафрагмы объектива приводит к изменению кружка рассеяния, что, в свою очередь, приводит к изменению местоположения дальней границы наблюдаемой зоны для заданного уровня восприятия.

Показано, что динамическое наблюдение можно проводить как при регулярном, так и при случайном режимах сканирования контролируемой зоны.

В первом случае время достижения требуемого состояния /ид из текущего значения /?д зависит от количества интервалов сканирования и определяется по следующим зависимостям

"д"д

Т/Ид - Яд )гмз + (тд-пд-\)тп, если тд > ид и Яд = 0; ("д - ™д)гт + (ид -т„- 1)ТН, если /яд < ид и = 0;

[К "«д)+К -«д)]7,мз+[К-«д)+К -^Д)-1]ГН, если/Мд <пд и£„ =0;

к -1)+к - 0>мз+к - 0+К -1)-!]7».

если/Яд > Ид И Яд =1,

где 7МЗ — время «мертвой зоны» первого типа; Тп — время наблюдения (ТУ-

Г0, если 1 -> Ид -»

модуль находится в неизменяемом состоянии); = < - на-

еСЛИ £ ^ А7д ) X»

правление изменения состояния 7У-модуля.

Решена задача оптимального размещения ГК-модулей при наличии в зоне контроля загораживающих предметов с определением наблюдаемой площади для общего количества N размещаемых модулей по зависимости

% = Ьп - & П <>„)+...+(-1Г"' 1(5у п...п5„ п...п$Я|)-к..+(-1)лм

п=1 у=1, 7=1,..., и=1

/7=1, /1=1,...,

¡Фп т= 1,...,

где п - знак пересечения (перекрытия) площадей; - знак группового перекрытия площадей; - площадь поля зрения и-го 7У-модуля.

Ограничениями в задаче оптимизации являются: план контролируемой территории, координаты точек потенциальной установки модулей, план размещения коммуникаций, местоположение пульта наблюдения и управления, информация об условиях эксплуатации, перечень 7У-модулей, время существования динамических "мертвых зон", условия наблюдения особо охраняемых объектов на территории, ограничение на суммарную длину кабельной сети, ограничения на суммарную стоимость и стоимость эксплуатации аппаратуры распределенного контроля. Варьируемыми параметрами в данной задаче являются: общее количество ТУ-модулей Ы, тип 7У-модулей, координаты гхп, гуп, гхп, и 9Д размещения и-го 7У-модуля.

На первом этапе задача решается методом структурно-параметрической оптимизации, по которому выполняется размещение ГК-модулей по территории контроля и определяются углы разворота и 9„. На втором этапе решается задача оптимальной трассировки кабельной сети методом "ветвей и границ".

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена научно-техническая задача, заключающаяся в разработке методов проектирования аппаратуры распределенного контроля с ТУ-датчиками видеонаблюдения. В целом по работе сделаны следующие выводы.

1. В результате анализа характеристик ГК-модулей определены подходы к построению их математических моделей и сформирована обобщенная структура ТУ-модуля, используемого в аппаратуре распределенного контроля.

2. Разработаны математические модели пространственной динамики TV-одулей на объектах контроля, основанные на корреляционной теории изображений учетом фотометрических и динамических характеристик модулей.

3. Определены основные фотометрические характеристики пространственной одуляции светового потока и освещенности фоточувствительных элементов. Пока-ано, что пространственная динамика преобразований светового потока элементами F-модуля может быть охарактеризована функцией рассеяния в виде кривой Гаусса, ависящей от параметров применяемых элементов, с использованием критерия ми-имума среднеквадратичной ошибки.

4. Получено выражение для определения параметров кривой Гаусса, опреде-яющей функцию рассеяния 7Т-модуля в целом, при этом учтены основные пара-етры зрительного рецептора человека, влияющие на восприятие зоны контроля, акие, как острота зрения, различимость, кажущаяся четкость, разностный порог аздражения, и показано, что данные параметры могут быть использованы для оп-еделения поля зрения 7Т-модуля.

5. Разработаны методики определения дальней границы поля зрения TV-одуля, обеспечивающей заданный уровень восприятия по критерию Джонсона.

6. Разработана методика определения общей площади распределенного кон-роля, при этом решены следующие задачи:

- получены расчетные зависимости для определения параметров ГК-модулей о координатам и пространственному положению с учетом перекрывающихся полей рения разных модулей и наличия в зоне контроля загораживающих предметов;

— приведены зависимости для определения временных характеристик "мерт-ой зоны" при сканировании зоны контроля в возвратном старт-стопном режиме.

7. Предложена и обоснована методика оптимального размещения 7У-модулей зоне контроля с учетом плана размещения и параметров контролируемых объек-

ов, а также влиянием дисперсности воздушной среды, позволяющая увеличить лощадь покрытия с 80 % до 90 %.

8. Решена задача оптимального проектирования кабельной сети в системе распределенного контроля с ГК-модулями и минимизацией стоимости коммуникаций.

Основные публикации по теме диссертации в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК

1. Горшков, A.A. Расчет наблюдаемой площади в системе с множеством ви-еокамер [Текст] / A.A. Горшков, Е.В. Ларкин // Фундаментальные и прикладные

проблемы техники и технологии. - Орел: ГУ УНПК, № 4, 2012. - С. 150 - 154. (Личное участие — 50 %)

2. Горшков, A.A. Пространственная динамика TV-модуля в распределенных измерительных системах [Текст] / A.A. Горшков, Т.Р. Кузнецова // Известия ТулГУ. Сер. Технические науки. Вып. 4. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. — С. 200 — 205. (Личное участие - 50 %)

Список работ, опубликованных в журналах и материалах конференций

3. Горшков, А. А. Поле зрения ТВ-камеры, поднятой над наблюдаемой сценой [Текст] / A.A. Горшков // Сборник научных трудов 6 Всероссийской научно-

практической конференции "Системы управления электротехническими объектами "СУЭТО-6". - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 225 - 227.

4. Горшков, А. А., Ларкин Е.В. Использование критерия Джонсона для автоматической идентификации объектов [Текст] / A.A. Горшков, Е.В. Ларкин // Сборник научных трудов Шестой Всероссийской научно-практической конференции «Системы управления электротехническими объектами «СУЭТО-6». - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 4 - 7. (Личное участие - 50 %)

5. Горшков, A.A. Динамические аберрации в CMOS-матрицах [Текст] / С.А. Будков, A.A. Горшков И Приборы и управление. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 22 - 27. (Личное участие - 50 %)

6. Горшков, A.A. Использование критерия Джонсона при наблюдении сцены поднятой камерой [Текст] / A.A. Горшков // Приборы и управление. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. —С. 31 — 36.

7. Горшков, A.A. Восприятие изображения на экране монитора [Текст] / A.A. Горшков, С.Н. Клещарь, Т.Р. Кузнецова // Приборы и управление. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. - С. 36 - 43. (Личное участие - 35 %)

8. Горшков, A.A. Передаточная функция многоэлементных фотоэлектронных преобразователей [Текст] / A.A. Горшков, Е.В. Ларкин // Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции «XXIX Научная сессия, посвященная Дню радио» - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2012. - С. 14 - 20. (Личное участие - 50 %)

9. Горшков, A.A. Динамические "мертвые зоны" при вращении ГК-модуля по углу азимута [Текст] / A.A. Горшков // Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции «XXIX Научная сессия, посвященная Дню радио» - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2012. - С. 211 -215.

10. Горшков, A.A. Наблюдение сцены в дисперсной среде [Текст] / Т.А. Аки-менко, A.A. Горшков, Е.В. Ларкин // Сборник материалов всероссийской научно-технической конференции «XXIX Научная сессия, посвященная Дню радио» - Тула: НТО РЭС им. A.C. Попова, 2012. - С. 58 - 63. (Личное участие - 35 %)

11. Горшков, A.A. Формирование изображений подвижных объектов с использованием CMOS-матриц [Текст] / A.A. Горшков // Вестник ТулГУ. Серия «Системы управления». Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 80 - 84.

12. Горшков, A.A. Поле зрения ГК-модуля с изменяемым фокусным расстоянием [Текст] / A.A. Горшков, Нгхиа By Зуй // Вестник ТулГУ. Серия «Системы управления». Вып. 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 84 - 89. (Личное участие - 50 %)

13. Горшков, A.A. Задача оптимизации сети телекамер [Текст] / A.A. Горшков // Приборы и управление. Вып. 11. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. - С. 31 - 36.

14. Горшков, A.A. Использование аппаратуры видеоконтроля окружающей среды в системах безопасности [Текст] / A.A. Горшков // Приборы и управление. Вып. 11, —Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.-С.31 -36.

Подписано в печать 20.11.2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная.

Бумага офсетная. Гарнитура «Times New Roman».

Усл. печ. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 315.

Отпечатано в типографии Академии ФСО России 302034, г. Орел, ул. Приборостроительная, 35.

Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации

МЕТОД ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ГК-МОДУЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ В ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЕ

Специальность 05.11.13 - «Приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий».

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201454847

Горшков Алексей Анатольевич

ДИССЕРТАЦИЯ

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ларкин Е.В.

Орёл-2013

МЕТОД ОПТИМАЛЬНОГО РАЗМЕЩЕНИЯ ГК-МОДУЛЕЙ ДЛЯ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ОБЪЕКТОВ В ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЕ

Содержание диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

по специальности 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПРОБЛЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АППАРАТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ

1.0. Введение . 8

1.1. Структура аппаратуры распределенного контроля 9

1.2. Классификация аппаратуры распределенного контроля 17

1.3. Статические характеристики TV-модулей 28

1.3.1. Основные системы координат 28

1.3.2. Определение координат в системе, связанной с TV-модулем 29

1.3.3. Определение координат проекции точки 32 в плоскости фотоэлектронного преобразователя

1.4. Характеристики восприятия изображений 34

1.4.1. Восприятие человеком-оператором яркости изображения 34 и число различных градаций.

1.4.2. Подход к описанию пространственной динамики TV-модуля 35

1.4.3. Подходы к оптимизации аппаратуры распределенного контроля 39

1.5. Выводы 41

2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АППАРАТУРЫ 43 РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ TV-МОДУЛЕЙ

2.0. Введение 43

2.1. Формирование модулированного светового потока 45

2.2. Преобразование оптического сигнала объективом 51

2.3. Передаточная функция среды распространения света 60

2.4. Многоэлементные фотоэлектронные преобразователи 66

2.4.1. Импульсный отклик и передаточная функция единственной ячей- 67 ки

2.4.2. Передаточная функция матрицы фоточувствительных ячеек 70

2.5. Модель аналого-цифрового преобразования сигнала 74 2.6 Суммирование характеристик элементов 76 2.7. Выводы 79

3. ПОЛЕ ЗРЕНИЯ АППАРАТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ 81 СО СТАТИЧНЫМИ TV-МОДУЛЯМИ

3.0 Введение 81

3.1. Критерий Джонсона и визуальное восприятие изображений 83

3.1.1. Критерий Джонсона 83

2.1.2. Характеристики зрительного анализатора 85

3.1.3. Наблюдение изображения на экране монитора 93

3.2. Изображение миры на экране монитора 95

3.2.1. Математическая модель изображения миры 95

3.2.2. Определение поля зрения TV-модуля в соответствии с критерием 100 Джонсона

3.3. Расчет поля зрения TV-модуля для различных уровней восприятия 104

3.3.1. Формирование поля зрения TV-модуля 104

3.3.2. Поле зрения TV-модуля, поднятой над наблюдаемой сценой 105

3.3.3. Перекрытие полей зрения различных TV-модулей аппаратуры 109 распределенного контроля

3.4. Уменьшение площади поля зрения TV-модуля вследствие эффекта 116 «загораживания»

3.5. Выводы 119

4. ПОЛЕ ЗРЕНИЯ АППАРАТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ 121 С ДИНАМИЧЕСКИМИ TV-МОДУЛЯМИ

4.0. Введение 121

4.1. Параметры «мертвых зон» аппаратуры распределенного контроля с 123 динамическими TV-модулями

4.1.1. Вращение TV-модуля по углу азимута 123

4.1.2. Вращение TV-модуля по углу места 128

4.1.3. Изменение фокусного расстояния объектива 130

4.1.4. Изменение диафрагмы 133

4.2. Временные характеристики «мертвой зоны» 134

4.2.1. Регулярный режим сканирования сцены 134

4.2.2. Случайный режим сканирования сцены 136

4.3. Оптимизация размещения TV-модулей по площади охраняемых 138 объектов

4.4. Выводы 147 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 149 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 151

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Комплексы аппаратуры распределенного контроля, в которых конечным потребителем видеоинформации является человек-опера-тор, выполняющий функции наблюдения зоны контроля и принятия решений о возникновении на ней нештатных ситуаций, в настоящее время широко применяют в различных областях народного хозяйства, в частности, в промышленных системах контроля технологических процессов. В качестве сенсоров в подобных системах используют 7У-модули, которые содержат телекамеры, размещаемые на подвижном или неподвижном основании по наблюдаемой площади. ТУ-модули формируют видеосигналы, которые передаются по линиям связи на центральный пункт наблюдения и управления. На экране монитора видеосигналы с разных модулей мультиплексируются, и из отдельных составляющих формируется общее изображение контролируемой зоны, отдельные фрагменты которой могут быть показаны под разными ракурсами.

Эффективность подобной аппаратуры во многом определяется техническими характеристиками применяемых 7У-модулей, которые, во-первых, должны быть адаптированы к условиям освещения зоны контроля, во-вторых, должны обеспечивать поле зрения, согласованное с возможностями восприятия изображений человеком-оператором, а в-третьих, при заданных параметрах зоны контроля обеспечивать требуемое покрытие всей наблюдаемой территории.

Вопросы проектирования подобных систем, включая вопросы согласования технических характеристик отдельных модулей с возможностями оператора с целью обеспечения требуемого уровня восприятия, а также размещение ТУ-модулей в зоне наблюдения с минимизацией длины коммуникаций, к настоящему времени проработаны только для частных случаев и недостаточно полно учитывают свойства среды и расположение контролируемых объектов. Все это делает задачу разработки метода оптимального размещения ГК-модулей при распределенного технологического контроля в дисперсной среде весьма актуальной.

Объектом исследования в диссертационной работе является система распределенного контроля объектов, функционирующих в дисперсной среде.

Предметом исследования диссертационной работы являются показатели эффективности применения ГК-модулей в системах распределенного контроля и методы, обеспечивающие улучшение восприятия изображений при различном состоянии атмосферы и конфигурации объектов контроля.

Общей теорией создания оптико-электронной аппаратуры распределенного контроля занимались отечественные и зарубежные ученые: Р. Гонсалес, Г. Н. Грязин, В. В. Еремеев, В. К. Злобин, Р. Е. Быков, А. Папулис, У. Прэтт, М. Птачек, В. А. Сойфер, В. С. Титов и др. В известных трудах по теме исследования разработаны методы математического

моделирования различных элементов оптико-электронных преобразователей и аппаратуры на их основе.

Предлагаемый общий подход к исследованию аппаратуры распределенного контроля опирается на аналитические методы математического моделирования элементов оптических систем и оптико-электронных преобразователей 7У-модулей и их применения в составе аппаратуры контроля.

Математические модели оптико-механической части системы сформированы по законам геометрической оптики, а пространственно-частотные характеристики получены путем приложения корреляционной теории сигналов к оптическим системам. Общий метод проектирования аппаратуры распределенного контроля разработан на основе теории принятия оптимальных решений.

Целью диссертационной работы является повышение уровня восприятия изображений оператором и расширение зоны распределенного контроля в условиях дисперсной среды и при наличии загораживающих объектов с минимизацией аппаратурных затрат и стоимости коммуникаций.

Основные задачи исследований.

1. Анализ структур распределенного контроля и обоснование общих требований к характеристикам 7У-модулей, используемых в качестве сенсоров в аппаратуре технологического контроля исследуемого класса.

2. Разработка математических моделей пространственной динамики 7У-модулей на объектах контроля, основанных на корреляционной теории изображений с учетом фотометрических и динамических характеристик модулей.

3. Получение функций рассеяния 7У-модуля в виде кривых Гаусса с учетом сферических аберраций объектива, реакции фотоэлементов и свойств среды распространения.

4. Разработка методик аналитической оценки и экспериментального определения границ зоны контроля 7У-модуля на основе критерия Джонсона с учетом реальных параметров системы зрительного восприятия человека-оператора.

5. Определение параметров поля зрения ГК-модуля в земной системе координат с учетом местоположения и его ориентации в пространстве.

6. Разработка методики определения общей площади распределенного контроля на основе ГГ-модулей с учетом перекрытия полей зрения, эффекта загораживания и появления динамических "мертвых зон".

7. Разработка методики оптимального распределения 7У-модулей по территории с учетом конфигурации и площади зоны контроля при одновременной минимизации общей длины кабельной сети.

Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработан метод оценки суммарной функции рассеяния 7У-модуля по основным параметрам его элементов, основанный на аппроксимации функции рассеяния кривыми Гаусса, отличающийся учетом особенностей распространения света в дисперсной среде, что позволяет увеличить

информативность формируемого видеосигнала за счет минимизации среднеквадратичной ошибки аппроксимации.

2. Разработана методика определения границ поля зрения 7У-модулей в аппаратуре распределенного контроля, основанная на использовании критериев восприятия Джонсона, отличающаяся учетом распределения модулей по наблюдаемой территории и ориентации их в пространстве, что позволяет повысить уровень восприятия изображения оператором при наличии загораживающих объектов в контролируемой зоне.

3. Предложена методика оптимального размещения 7У-модулей в зоне распределенного контроля, основанная на плане размещения и параметрах контролируемых объектов, отличающаяся учетом механизма возникновения и параметров динамических "мертвых зон", что позволяет обеспечить максимальную площадь зоны наблюдения и минимизировать стоимость коммуникаций.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанный метод размещения 7У-модулей при распределенном контроле объектов позволяет снизить трудоемкость проектных работ и повысить качество проектирования аппаратуры распределенного контроля.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается корректным применением аналитических моделей оптических и оптико-элект-ронных блоков, существующих подходов к определению уровней восприятия и структурно-параметрической оптимизации, а также экспериментальными исследованиями параметров ТУ-модулей аппаратуры распределенного контроля.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Метод определения суммарной функции рассеяния 7У-модуля с аппроксимацией функции рассеяния элементов кривыми Гаусса по критерию минимума среднеквадратичной ошибки, позволяющий увеличить информативность формируемого видеосигнала в условиях дисперсности контролируемой среды.

2. Методика определения границ поля зрения ГК-модуля с известными координатами его размещения и ориентацией в пространстве на основании критериев восприятия Джонсона, позволяющая повысить уровень восприятия контролируемых объектов оператором с учетом наличия загораживающих объектов в зоне контроля.

3. Методика оптимального размещения 7У-модулей при распределенном контроле, позволяющая обеспечить максимальную площадь зоны наблюдения и минимальную стоимость коммуникаций за счет учета механизма возникновения и параметров динамических "мертвых зон".

Реализация и внедрение результатов. Предложенные в диссертации метод и реализующие его методики распределенного контроля объектов внедрены на ЗАО "Научприбор" (г. Орел), а также используются в учебном процессе на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" ТулГУ (г. Тула) при преподавании дисциплин "Основы информационных устройств роботов" и "Основы технического зрения и цифровой обработки изображений".

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на следующих научных конференциях.

1. XXX Научная сессия, посвященная Дню радио. - Тула: Тульский государственный университет, 2012.

2. Шестая Всероссийская научно-практическая конференция "Системы управления электротехническими объектами "СУЭТО-62". - Тула: Тульский государственный университет, 2012.

3. Научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава Тульского государственного университета 2011 — 2013 гг.

По теме диссертации опубликовано 14 статей, в том числе 2 статьи в сборнике, рекомендуемом ВАК РФ для публикаций материалов диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, изложенных на 163 страницах машинописного текста и включающих 56 рисунков и 8 таблиц, заключения, списка использованной литературы из 170 наименования.

1. АППАРАТУРА РАСПРЕДЕЛЕННОГО КОНТРОЛЯ НА ОСНОВЕ ТУ-МОДУЛЕЙ

1.0. Введение

Аппаратура распределенного контроля видеомониторинга на базе ТУ-модулей, наблюдающая объекты в видимом свете, является весьма эффективным способом обеспечения безопасности, в связи с тем, что в видимой области спектра (электромагнитные колебания с длиной волны от 380 до 760 нм) человек получает наибольший объем информации (до 80 %) об окружающей обстановке^]. Соседние участки оптического спектра (инфракрасный, от 780 до 10000 нм) и ультрафиолетовый (от 10 до 380 нм) также несут информацию об окружающей среде, но напрямую не воспринимаются органами чувств человека, а преобразователи излучения указанного диапазона в воспринимаемый человеком сигнал сложны и дороги, поэтому достаточно редко используются в аппаратуре распределенного контроля[8].

Первая аппаратура распределенного контроля основывалась на простом наблюдении объектов, сначала через оптические приборы, а затем с помощью видеокамер. Подобное наблюдение связано с ограниченным объемом информации, поступающей оператору. Как правило - это информация о наиболее важных охраняемых компонентах объекта: центральных входах в офис, входах на склады, и т.п. Однако пути несанкционированного проникновения на объект далеко не ограничиваются перечисленными компонентами, поэтому в последующих системах количество ТУ-модулей увеличилось, модули начали распределяться по охраняемой территории, что позволяет говорить об аппаратуре распределенного контроля данного типа как о распределенных системах[13].

Разработка, внедрение и промышленная эксплуатация аппаратуры распределенного контроля на базе ТУ-модулей связана с определенными материальными затратами. Указанные затраты напрямую зависят от объема информации, передаваемой на пункт наблюдения: увеличение потребного количества

информации приводит к увеличению числа датчиков первичной информации -ТУ-модулей[67]. Это, в свою очередь, приводит к необходимости подведения к ТУ-модулям электропитания, сигналов управления и отведения от модулей видеосигналов. Особенно усугубляется ситуация, если аппаратура распределенного контроля работает вне помещения круглосуточно. В этом случае к проблемам коммуникаций добавляется проблема подогрева/охлаждения ТУ-модулей и проблема расширения статического диапазона освещенности охраняемого объекта[51 ].

Все это приводит к необходимости предварительных расчетов аппаратуры распределенного контроля, в которой необходимо обеспечивать информативность не хуже заданной при минимальной стоимости, или стоимость не выше заданной при оптимальной информативности.

1.1. Структура аппаратуры распределенного контроля

В общем случае аппаратура распределенного контроля на базе ТУ-модулей может быть представлена в виде двух графов:

01={А1,Е1),02=(А2,Е2) (1.1)

где А\ = А2= {Д(ь а\, ..., а„, ..., <%} конечное множество вершин, моделирующее узлы расположения ТУ-модулей (а\ - а и) и пункт сбора информации и управления (а0); Е\ = {еп, ..., е\т, ..., еш} - конечной множество ребер, моделирующих отрезки проводных линий электропитания, соединяющих ТУ- модули и пункт сбора информации и управления;, Е2 - {е2\,е2ьЪц) - конечное множество ребер, моделирующих отрезки линий отвода видеосигнала, соединяющих ТУ-модули и пункт сбора информации и управления; каждое ребро множества Е\, Е2 характеризуется парой вершин, инцидентных данной вершине, т.е. е\т = {ап, вк}, егт = {а/, а5}, ап еА,аке А, щ еА,а,(= А.

В ряде случаев возможна реализация аппаратуры распределенного контроля, когда

(7, =С?2 = {А,Е}={{а^,ах,...,ап,...,ам},{ех,...,ет,...,ем}}, (1.2) т.е. цепи питания совпадают с цепями отвода сигнала и управления.

Схема формирования сигналов в ТУ-модулях, находящихся в узловых точках системы, приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема формирования модели изображения в аппаратуре распределенного контроля

Здесь и ниже пространство, наблюдаемое ТУ-модулем, будем называть сценой[62]. Сцена 1 освещается внешним источником, создающим трехмерный поток видимого света Ф{х, у, г, Л, (), в общем случае изменяющийся в земных координатах Охуг, во времени / и по длине волны Л.