автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Методы построения и исследования динамики цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени

Государственное научно-производственное о(5ьединение "Альтам"

РГ5 ОН

На правах рукописи

Кузнецов Павел Константинович

Методы построения и исследования динамики цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени

Специальность об. 13.14 - Системы обработки

информации и управления

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВа - 1995

Государственное научно-производственное объединение "Альтаир"

На правах рукописи

Кузнецов Павел Константинович

Методы построения и исследования динамики цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени

Специальность 05.13.14 - Системы обработки

информации и управления

АВТОРЕФЕРАТ

лссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВа - 1995

Работа выполнена

в Самарском Государственном техническом университете

Официальное оппоненты:

академик МАИ, доктор технических наук, профессор Горбатов В.А-

академик ШИ, доктор технических наук, профессор Журкин И.Г.

академик МАМ, доктор технических наук, профессор Татарников JO-А-

Ведугцаа предприятие: Центральное специализированное конструкторсг бвро, г. С^:арз.

Защита состоится " " 0 & 1995 г.

в /У часов на заседании специализированного соБета Д 130.03.( при Государственном научно-производственном объединении "Альтащ г. Москва,

11Ю24, Москва, ул. Авиамоторная, 5?.

Автореферат разослан " U •• ОЪ 1895 г. С диссертацией .чоашо познакомится в библиотеке объединения

Ученый секретарь диссертационного совета член-коррьспондант МАИ, доктор технических наук

Листратов A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ- В диссертационной работе изложены развитые тором основы теории оптикоэлектронных цифровых систем идентифика-;и движения яркостных полей в реальном времени. Актуальность дан->й проблемы во многом определена как насущными задачами развития вык видов спецтехники, так и задачами создания высокотехнологич-IX оптико- электронных систем, имеющих народно-хозяйственное [ачение.

Задача идентификации движения яркостных полей в реальном вре-ыш приобрела актуальность в связи с разработкой высокоточных ггико-электронных систем обнаружения и сопровождения движущихся 5ъектов, систем наведения, а также систем автономной навигации и жентации летательных и космических аппаратов. В промышленности стуальна задача определения параметров движения объектов по опти-гскому изображению наблюдаемых сцен. Аналогичная проблема зозника-г в случаях, когда нежелателен или затруднен непосредственный жтакт с контролируемыми объектами, например, при очувствлении зботов с помощью видеосенсоров, измерении скорости проката, гарости перемещения взрывоопасных и агрессивных материалов, при издании высокоточных расходомеров и т.д. На транспорте актуальна здача определения скорости транспортных средств относительно подс-илащей поверхности, например, при аэрокосмической фотосъемке, при эсадке летательных и космических аппаратов и т.п.

Практическое создание систем идентификации движения яркостных элей до недавнего времени было затруднено из-за отсутствия эффек-ивных технических средств реализации алгоритмов идентификации вижения изображений. В настоящее время с появлением высоких эхнологий изготовления малогабаритных координатно-чувствительных риемников излучения, в частности, приборов с зарядовой связью ПЗС). элементов плоской оптики, с освоением субмикронных техноло-ий изготовления сверхбольших интегральных микросхем (СБИС), появи-ась возможность экономичной реализации известных алгоритмов дентифгасации движения. В свою очередь это послужило стимулом для азвития теоретических и алгоритмических основ построения более овершенных систем идентификаций движения яркостных полей.

В настоящее время созданы основы теории

экстремально-корреляционных, частотных, градиентных измерителе скорости движения изображения. Однако задача создания систем идеи тификации движения случайных яркостных полей в реальном времени н решена. Объясняется это рядом обстоятельств, из" которых главным являются отсутствие эффективных, ориентированных на реализацию цифровых системах реального времени, методов идентификации движени и сложностью достижения быстродействия, требуемого для реализаци этих систем в цифровых базисах.

Наиболее точныным и, вообще говоря, универсальным метода идентификации движения случайных яркостных подай является экстре мально -корреляционный- Но при сложных законах движения наблвдаемо го объекта универсальность методов этой группы чрезвычайно трудн реализовать современными техническими средствами из-за необходимо сти вычисления сверток и применения процедур полного перебора информационных полях размерностью три и более. Поэтому метод данного типа не являются перспективными с точки зрения достижени цели работы.

Частотные методы (основанные на узкополосной частотно пространственной фильтрации) имеют ограниченную область применени и невысокие метрологические характеристики.

. Градиентные методы, основанные на вычислении производных п времени и пространственным координатам от информативных признано изображения, корректны только в случае достаточно гладких слабо зашумленных изображений.

Таким образом, в настоящее время отсутствуют универсальны методы идентификации движения случайных яркостных полей, ориентиро ванные на реализацию в цифровых системах реального времени, задача разработки универсального и экономичного в вычислительно; смысле (т.е. не используицего процедур поиска и полного перебора, также процедур вычисления сверток в многомерных полях) являете нерешенной актуальной задачей оптико-электроники.

Как отмечалось выше, дополнительные и. серьезные трудности решении рассматриваемой проблемы вызваны сложностью достижени требуемого быстродействия цифровых аппаратных средств, реализупци алгоритмы идентификации движения в реальном времени. Вызвано эт тем, что обрабатываемая видеоинформация представлена чаще всег массивами данных высокой размерности- Обработка таких массивов реальном времени с использованием только программных средств н современном уровне развития техники требует применения больших ЭВМ

что в большинстве практических задач недопустимо-

Поэтому реализация алгоритмов идентификации движения яркостных полей в реальном времени в ответственных случаях осуществляется на специально проектируемых программно-аппаратных средствах. Несмотря на достигнутый за последние года прогресс в проектировании и технологии изготовления сверхбольших интегральных микросхем (СБИС) задача создания специализированных быстродействующих аппаратных средств для реализации систем реального времени, остается актуальной. Возможности использования альтернативных технических решений, основанных, например, на применении элементов когерентной оптики, пока ограничены.

Весьма эффективным способом повышения быстродействия цифровой аппаратуры является реализация асинхронного принципа управления протекащими в ней процессами. Асинхронный принцип управлени позволяет повышать на порядок и более скорости обработки информации и создавать над заданным элементным базисом цифровые системы , и схемы (ЦС) предельно высокого быстродействия. Однако в настоящее время отсутствуют эффективные метода проектирования асинхронных цифровых схем- Это объясняется тем, что ЦС асинхронного типа относятся классу логико-динамических систем, общая теория которых пока еще находится в становлении.

Поэтому наряду с разработкой "быстрых" алгоритмов идентификации движения яркостных полей, актуальной является задача построения логико-динамических (ЛДС) моделей, адекватно отражающих динамические свойства асинхронных ЦС, и развития эффективных методов численного и качественного анализа процессов в них. Такие методы анализа позволят практически реализовать потенциально высокое быстродействие разработанных алгоритмов и тем самым создать цифровые устройства идентификации движения яркостных полей, функционирующие в реальном времени.

Основные результаты работы получены и использованы в ходе выполнения в течение 1977-1995 гг. ряда плановых НИР СамГТУ.

Хоздоговорные научные работы велись с организациями; КБ Автоматических систем (Самара), Центральное специализированное конструкторское бюро (Самара), ГП автоматизации трубопроводного транспорта (Самара), АО Моторостроитель (Самара), Иркутский ВЦ РАН, НИИ Телевидения (С.-Петербург).

Бюджетные НИР проводились по программам; "Конверсия высоких технологий" (Приказ № 168 от 23.03.93г.),' "Надежность конструкции"

(Приказ №107 от 20.04.92), "Перспективные приборные комплексы и системы подвижных объектов" (пост. К 19 от 23.01.92г.) (все -Госкомвуз РФ), "Конверсия Самары", по двум грантам в области радиоэлектроники и электротехники (приказ от 09.07.93г. 16 67) и гранту по фундаментальным исследованиям в области транспортных наук (шифр 93-1003 Конкурсного центра грантов при Московском автомобилестроительном институте), по тематике Секции прикладных проблем РАН в рамках постановления правительства РФ от 21.12.93г. 16 1314-68, а также по договору о партнерстве и сотрудничестве с Иркутским ВЦ СО РАН. .

ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ состоит в разработке методов построения и анализа динамики цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени и применении развитых методов для создания быстродействующих оптико-электронных систем определения параметров движения объектов со случайным распределением яркостей.

При достижении цели работы были решены следующие задачи:

1) разработки метода быстрой идентификации движения яркостных полей в реальном времени;

2) разработки на основе предложенного метода конкретных способов и алгоритмов определения параметров движения объектов для реализации в цифровых системах, работающих в реальном времени;

3) создания логико-динамической модели процессов в асинхронных цифровых схемах, используемых, в частности, для построения систем идентификации движения яркостных полей;

4) создания общего эффективного метода анализа динамических процессов в логико-динамических моделях цифровых схем и систем, позволяющего достичь существенной экономии вычислительных ресурсов при анализе динамики ЦС;

5) разработки конкретных цифровых систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени*

6) экспериментального исследования созданных цифровых систем идентификации движения яркостных полей.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ базируются на применении методов математической логики, общей теории систем и теории оптико-электронны) устройств. Основным математическим аппаратом анализа процессов £ цифровых схемах является развитый в обшей теории систем принциг сравнения с вектор-функцией Ляпунова (ВФЛ).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

и Развиты теоретические основы принципиально нового метода идентификации движения яркостных полей, который отличается от известных общностью, универсальностью и простотой в реализации. Метод позво-пяет решать широкий класс задач, • включающий как задачи определения з реальном времени вектора скорости движения объекта по последовательности его изображений, так и задачи обнаружения движения в трехмерных сценах-

Разработана логико-динамическая модель прэцессов в асинхронных цифровых схемах, которая позволяет исследовать широкий класс динамических свойств ЦС, не выявляемых другими известными моделями.

Разработан метод построения входа-выходных последовательностей дефровых схем, который в отличие от известных позволил получить алгоритмы построения входо-выходные последовательности как для сомбинационных схем, так и для цифровых схем с обратными связями и гамятью в интервальной постановке задачи. Полученные алгоритмы >тличаются высоким быстродействием.

Созданы теоретические основы общего строгого метода анализа ди-1амических процессов в цифровых схемах. Метод базируется на идеях >азвитого в общей теории систем принципа сравнения с ¡ектор-функцией Ляпунова (ВФЛ). Метод позволяет проводить :ачественное исследование процессов в ЦС без непосредственного гостроения входо-выходных последовательностей исследуемых схем и ¡ез полного перебора в множествах начальных данных и других [араметров ЦС и тем самым существенно сократить затраты вычиолитель-:ых ресурсов при проектировании ЦС, реализунцих предложенные лгоритмы идентификации движения.

ДОСТОВЕРНОСТЬ научных положений и выводов подтверждена как чиненными экспериментами на ЭВМ, так и экспериментальными исследова-иями созданных устройств и систем на специально сконструированных тендах, а также при натурных испытаниях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ определяется созданием быстродействующих птико-злектронных цифровых систем определения параметров движения бъектов, конкретными предложенными способами определения парамет-ов движения яркостных полей, апробированными структурами цифровых стройств идентификации движения, защищенными п авторскими свиде-ельствами и патентами России, а также разработанными инструмен-альными средствами для динамической верификации цифровых схем с четом инерционных свойств их базисных элементов-

В промышленности системы» построенные на основе предложенных в работе методов внедрены:

- в КБ Автоматических систем (г.Самара) при создании приборного обеспечения системы посадки летательного аппарата на оперативно развертываемые аэродромы :

- в Центральном специализированном конструкторском бгро (ЦСКБ г.Самара) в составе датчиков контроля вибрации и смаза изображения системы прецизионной виброзашиты оптической скамьи визуального контроля, используемой для экспериментальных исследований и аттестации длиннофокусных оптических систем наблюдения, базирующихся на низкоорбитальных космических аппаратах ;

- на предприятии АО Моторостроитель (г.Самара) в составе высокоточного расходомера проливочного стенда форсунок специзделий ;

- на Государственном предприятии автоматизации трубопроводного транспорта (г.Самара) в составе вискозиметров, предназначенных для исследования реологических свойств сверхвысокомолекулярных жидкостей и гелей, и в составе расходомеров нефтепродуктов ;

- материалы диссертации использовались в разработках НИИ телевидения (г.С.-Петербург) "по созданию беспилотного летательного мини-аппарата разведки местности.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 52 работы в том числе i? авторских свидетельств на изобретения и патенты России, выпущено более 15 отчетов по выполненным НИР, материалы диссертуции использованы в 4 учебно-методических пособиях, выпущенных в СамГТУ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях, симпозиумах, семинарах и совещанияхv и vi Всесоюзных совещаниях по проблемам управления (Москва 1871, 1974), i Международной конференции молодых ученых "Проблемы проектирования и применения дискретных систем в управлении" (Минск. 1977), ш Всесоюзной Четаевской конференции "по устойчивости движения, аналитической механики и управлению движения" (Иркутск, 1S77), vil Всесоюзном совещании "Теория и методы математического моделирования" (Куйбышев, 1378), Всесоюзных симпозиумах "Логическое управление в промышленности" (Куйбышев, 1985 ; Ташкент 1988), Всесоюзных симпозиумах "Логическое управление в промышленности с использованием ЭВМ" (Устинов, 1987; ОрДЖОНИКИДЗв, 1988: АЛУШТа, 19905 ФеОДОСИЯ, 1991), Всесоюзной конференции "Измерительные информационные системы (ИЙС-89)" (Ульяновск. 1989), Всесоюзных совещаниях "Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе"

¡Барнаул, 1980,1988),' Всесоюзной конференции "Повышение долговечности и надежности машин и приборов" (Куйбышев, 1981), Всесоюзных совещаниях, координатно-чувствительные фотсприемкики и оптико- электронные приборы на их основе (Барнаул, 1981, 1985, 1987), Всесоюзном совещании "Проблемы комплексного проектирования чувствительных элементов навигационных систем подвижных объектов" (Москва, 1981), Зсесоюзной конференции "Измерение и контроль при автоматизации троизводственных процессов" (Барнаул, 1982), VI Всесоюзной конференции "Информационно - измерительные системы-83" (ИИС-83, Куйбы-иев, 1983), Всесоюзной конференции "Робототехника и автоматизация троизводственных процессов" (Барнаул, 1983), Всесоюзном семинаре 'Методы и средства обработки оптической информации" (Москва, 1983), ' Всесоюзной Четаевской конференции "Аналитическая механика, устой-швость и управление" (Казань»1987), Всесоюзной конференции 'Оптикоэлек- тронные измерительные устройства и системы" (Томск, [989), и всесоюзной школе "Автоматизация создания математического )беспечения и архитектуры систем реального времени" (Иркутск, .990), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Оптико-электронные методы и средства контрольно-измерительной техники" (Москва, 1991), всесоюзных школах по методу функций Ляпунова и его приложениям (г-1ркутск, 1979, 1982, 1985, 1991, 1994), СвМИНарЫ ИрВЦ СО АН СССР, ЮТИ, ЛИТМО, МГИ, на Международном Конгрессе нелинейных аналитиков Тампа (США, Флорида, 1992), на семинарах проф. Лакшмикантамам.в ■ехнологическом институте г. Мельбурн (США, 1993), на семинарах гроф. Чокоса в Южно-Флоридском университете г. Тампа (США, 1993).

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Все работы, выполненные в соавторстве, юдчинены общей постановке проблемы и концепции ее решения, предло-сенной соискателем. Соискателем сформулированы все основные идеи ;ащищаемых методов, алгоритмов и структур аппаратных и программных редств, методика испытаний, моделирования на ЭВМ и интерпретации езультатов-

Соавторы учавствовалик в разработке конкретных аппаратных и рограммных средств, проведении испытаний и численных экспериментов а ЭВМ. конкретизации методов для частных случаев.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация содержит введение, 6 азделов, заключение, список использованных источников на 303 наи-енования, 2 приложения, 99 рисунков и 7 таблиц. Основное содер-

жание изложено на 307 страницах. Полный объем диссертации -438 страниц.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Новый универсальный метод идентификации движения яркостных полей(метод функционализации), ориентированный на реализацию в цифровых системах реального времени.

2. Способы определения параметров движения яркостных полей и реализуещие их цифровые структуры.

3. Логико-динамическая модель процессов в асинхронных цифровых схемах и системах, реализующих предложенные структуры систем идентификации движения яркостных полей.

4. Численный метод анализа процессов в асинхронных цифровых схемах и системах.

5. Общий метод анализа (метод сравнения) динамических процессов в цифровых схемах и системах.

6. Метод построения системы сравнения в задачах анализа достижимости и управляемости цифровых схем и систем и методики его использования для создания цифровых аппаратных средств систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени.

7. Структуры внедренных на промышленных предприятиях систем идентификации движения яркостных полей в реальном времени.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Проведенный в работе аналитический обзор состояния проблемы показал, что существенный вклад' в развитие теории оптико-электронных систем, методов обработки изображений, методов построения систем идентификации движения яркостных полей сделан отечественными учеными: Порфирьевым Л.Ф., Якушенковым Ю.Г., Титовым B.C., Сухопаровым С.А., Сойфером В.А., Зйуркиным И.Г., Шзстовым Н-С. .Красовским А.А.,Белоглазовым И.Н., Чигиным Г.П., Баклицким В-К.Батраковым A.C., Юрьевым А.П., Конюховым Н.Ё., Карповым Е.М. и рядом других.

За рубежом в последние годы наиболее интересные результаты получили: Хорн к.п., Aggrwal J.K., CaffarioC., Linb J.О., Marphy J.A., Hashell В.G. , HyangT.S., Hsu J.P., Nagel H.H., Schalkoff R.j., schukch в.g. и некоторые другие авторы.

Вопросы анализа динамических свойств сложных систем, классу которых относятся цифровые схемы, посвящены основополагающие работы Матросова В-М., Беллмана Р., Зубова В.И-. Неймарка Ю.И.. Якубовича В. Д., Бусленко Н-Л-, Васильева С.Н. Разрабатываемое этими и рядом других авторов научное направление базируется на классических рабо-

тах А. Пуанкаре и A.M. Ляпунова, фундаментальных результатах, полученных Дж. Биркгофом, Барбашиным Е-А., Марковым А-А., Немыцким В-В. Общие методы анализа и синтеза асинхронных цифровых схем развиты в работах Горбатова В.А-, Закревского А.Д., Поспелова Д.А., Кузнецова О.П.. Рэгинского В.Н.. Варшавского В.И., Стародубцева H.A., Татарникова Ю.А., Чеботарева А-Н-, Левина В.И., Якубайтиса Э.А. и др., а также зарубежных авторов; Миллера Р., Мюллера Д-Е-, Ангера С., Малера Д. Е-, БарткиВ.С., Бохмана Д., Фридмана А. Д., Менона П.Р.. Петтерсона Дж. и др.

Таким образом, современный уровень развития методов оптико-электроники и теории динамических систем дает хорошую теоретическую базу для решения поставленных в работе задач.

Проведенный в диссертации критический анализ известных методов определения параметров движения позволил предложить принципиально новый метод идентификации движения яркостных полей, ориентированный на реализацию в цифровых системах реального времени.

Рассмотрен достаточно представительный вариант задачи идентификации движения яркостного поля, возникающий при изучении оперативной обстановки с подвижного носителя.

Принято, что анализируемое яркостное поле создется подстилавдей поверхностью при облучении ее сторонним некогерентным источником излучения. В рассматриваемом случае подстилающая поверхность считается плоской, недеформируемой и характеризующейся распределенной диффузной (ламбертовой) отражательной способностью. Подстилагн щая поверхность облучена равномерно- При таких условиях функция лучистости подстилапцей поверхности записывается в виде B<X,t) = p(X)a(t). B(2,t) - равномерно ограниченная функция, дифференцируемая по всем своим аргументам почти всюду, t - координаты в плоскости объектов Р, t - время, р(£)- альбедо.

Принято, что оптическая система (ОС), размещенная на носителе, изопланатична в пределах рабочего поля и что облученность B(x.t) изображения, где х - координаты в плоскости изображений в точке х связана с лучистостью B(X.t) в соответствующей точке плоскости объектов известным соотношением:

* drx

B(X,t) s I<—jM, где I - интегральный коэффициент пропускания, f - заднее фокусное расстояние, DBX - диаметр входного зрачка ОС.

Движение носителя ОС характеризуется вектором линейной

А*"'"

скорости движения VH»[VH)t,7Hy,VHI]T и вращением; A(t> - матрицг вращения, параметрами которой являются углы крена ox(t), тангажг ay(t) и рысканья а2(t);

* Т cU

<0 = [b)x,coy ,wz] - вектор УГЛОВЫХ Скоростей, <01= -g^- v i«{x,y,Z>.

Рассматривается так называемое уравнение оптического потока, связывающее скорость движения носителя ОС со скоростью движения точек изображения. В частном случае, когда центр вращения совпадает с передней главной точкой объектива, оно имеет вид:

à = -£~'&aiT(ш)х-х - AÂ(Z)x + hÀVB + hr'A^x. i

где h = CgXZ"* ; ZH - высота носителя ОС над подстилающей поверхностью, А3- третья строка матрицы А, Са- третья строка матрицы А* Матрица ААТ («) имеет вид линейной формы относительно компонент вектора и.

Метод функционализации состоит в следующем. В картинной плоскости выделяется область анализа д (окно). В окне на множестве изображений задается некоторого вида функционал Ф и вычисляется полна) производная по времени от этого функционала в силу уравнения движения изображения (1). В результате получается алгебраическое относительно параметров движения уравнение (ФС-уравнение), функционально связывакщие измеримые характеристики изображения с компонентам! вектора скорости движения носителя ОС. Конкретные способы определения параметров движения получаются при фиксации ограничений на закон движения носителя, вид используемого функционала, конфигураци! и значений параметров области анализа. Идентифицируемыми параметрами движения могут быть как мгновенные, так и усредненные по времени или пространству значения компонент полного вектора скорост! движения. Например» в случае, когда движение носителя ничем не ограничено (свободное движение) и внешний источник облучения подсти-лалцей поверхности не мерцает, а используемый функционал Ф имее'

вид:

Ф(г) - Я К(х) E(x(X(t)))âs, С

д

где К(х) - функция веса дифференцируема почти всюду. ФС уравнение принимает вид:

I]- - | К (5с) Е(х(Х(Ъ))) ЙХ.

Г(Д). .

Яа(Ш)

~ТГ

0 10 10 0 ООО

■у

С3хун + — А3А х + М х

ггГ Г д(Ш) ^ х 3^3^. . Л ~1ТСзХ1---^эхК(х)4~К(х)А3А *)-

Е(х) Лз +

Е(х)йз;

- приведенный вектор скорости.

2Н

Г - граница области анализа д без особенностей.

Вид функции веса К в известной мере произволен, поэтому она всегда может быть задана таким образом, чтобы значение криволинейного интеграла 19 было в точности равно нулю, либо пренебрежимо мало в сравнении с значением интеграла

Интеграл 1з содержит градиент ограниченной дифференцируемой почти всвду функции К(х) и не содержит производных функции облученности изображения Е- Анализ показывает, что интеграл I* существует, а его слагающие величины являются измеримым характеристикам изображения.

ФС-уравнение (3> содержит в общем случае шесть неизвестных сомпонентов вектора скорости. Система ФС-уравнений соответствующего горядка может быть получена путем параметризации ФС-уравнения. Роль шраметра может играть время и функция веса К, конфигурация и зоординаты привязки окна д.

Даны обобщения ФС-уравнения на случай функционала более общего 1ида, чем (2>, а также на случай, когда в качестве информативного [ризнака используется не функция облученности изображения, а неко-орая функция или функционал от нее. Во всех случаях тип С-уравнения не меняется.

Для частных случаев найдены условия совместности системы С-уравнений. Иногда они тривиальны. Например, для случая плоскопа-аллельного движения носителя ФС-система неразрешима тогда и только эгда, когда изображение имеет нулевой градиент функции облучен-эсти по какому-либо из возможных направлений движения изображения. ж более сложных типах движения возникают особые точки в изобра-гнии, по наблюдаемому движению которых не может быть восстановлен «сон движения носителя ОС. Но множество таких особых точек имеет

С

нулевую меру и потому их наличие почти никогда не влияет на разрешимость система ФС-уравнений -

Получено ФС-уравнение для случая движения носителя ОС над подстилающей поверхностью, имеющей рельеф. Рассмотрен случай, когда линия визирования в любом направлении в пределах рабочего поля ОС пересекает поверхность профиля местности только один раз.

При этом вид ФС-уравнения сохраняется с точностью до множителя И при каждом коэффициенте ФС-уравнения. В случае, когда оптическая ось ОС направлена в надир и отсутствует вращение, этот множитель в первом приближении имеет имеет вид: м = (Вас + 1)/(1 - И^)),

где И = —п- ; М(Х.)- высота рельефа в точке, над которой распо-

н

ложен носитель в данный момент времени, 2Н- высота над местностью, В - матрица-строка, характеризующая крутизну склонов в той же точке-

Рассмотрена задача обнаружения с подвижного основания протяженной цели, движущейся на фоне подстилающей поверхности. Показано, что критерием обнаружения цели может служить факт нарушения ФС-уравнения, полученного при известных параметрах движения носителя ОС.

. Методом функционализации путем конкретизации его параметров получены различные способы определения параметров движения яркостных полей.

Подробно рассмотрен вариант метода, названный обобщенным градиентным методом (ОГ) и его реализация с использованием матричных приемников излучения, имезздих жесткую прямоугольную геометрию расположения элементарных приемников излучения (ПХ-матрицы, фотодиодные матрицы). Обобщенный градиентный метод получается при использовании функционалов вида (2) с единичной функцией веса К и прямоугольной Областью анализа. Функционал такого вида пропорционален интегральной освещенной области анализа. Коэффициентами ФС-уравнения при этом являются средние и средневзвешенные интегральные облученности границ окна анализа-

Найдены аналитические оценки предельно достижимой точности определения параметров движения ОГ методом для различных конфигураций и параметров окон анализа, выделяемых на поверхности матричного фатоприемника. Ограничения точности положены пространственной дискретностью фотоприемника, временной дискретность® считывания информации и наличием высокочастотных составляющих в пространствен-

;ом Фурье-спектра изображения. Полученные зависимости позволяет ыявлять границы работоспособности метода в конкретных ситуациях.

Применен метод наименьших квадратов (в фэрме квази-обращения) ля вычисления решений ФС-системы управлений. При этом переопреде-енная ФС-система строится с использованием видеоданных полученных з множества окон анализа, либо данных, полученных в одном окне в азличные моменты времени.

Введена оценка сложности алгоритмов идентификации движения, ложность характеризуется требуемым объемом оперативной памяти и ислом операций суммирования, потребных для формирования коэффици-нтов ФС-системы уравнений. По этому критерию сравнивается слож-эсть обобщенного градиентного (ОГ) и экстремально-корреляционного етода. ОГ-метод во всех случаях оказывается существенно менее ложным.

Проводится оптимизация функции веса К(х) в функционале Ф по эитерию сложности при идентификации различных законов движения эсителя ОС. Так, в задаче идентификации поступательного движения янимальную сложность обеспечивает "пирамидальная" функция веса:

(х) s (1- LxJ-LzJ). xt, у£- координаты границ окна анализа. При

там ФС-уравнение принимает вид;

= (4>t+ Ф4- Ф2- Фэ) +-J- (Ф,+ Фг~ Ф3- Ф4) + Уг - 2Ф) (3)

¡е Ф - функционал с оптимально функцией веса, а Фс- функционал с [иничной функцией веса, вычисленный в 1-ом квадрате координатной гстемы, начало которой совпадает с геометрическим центром окна ализа.

При плоско-параллельном движении подстилапцей поверхности наи-лее простой способ идентификации параметров ее движения получает-с функцией веса вида "экспоненциальная пирамида";

К(х)= ехр(-а(|х|+ |у|)), с* = const.

ФС-уравнение с такой функцией веса имеет вид:

Hv, (Фэ- Ф,) + vy (Ф4- Ф2) (4)

где Ф^- функционал с указанной функцией веса, вычисленный на ресечении окна анализа с 1-ым квадрантом прямоугольной системы эрдинат. Здесь использован знак = , т.к. отброшены "малые' гегралы, характеризущие вклад интегральных освещенностей грани:!

¿я»**"

окна анализа в значение производной Ф.

Показано, что метод становится нечувствительным (инвариантным) к вертикальному движеию и рысканью носителя X при условии, что функция веса выбрана в виде К(х) ■ = (хг+уг)~\но такая функция может быть реализована лишь приближенно.

Метод становится нечувствительным к малым угловым колебаниям оптической оси системы относительно направление в надир, при условии, что

К(х) = &г+7г+£*)~ауг.

Приведены способы идентификации движения, в которых использована адаптация формы окна анализа к направлению движения изображения. Такие способы наиболее просто реализуются с применением матричных приемников излучения с произвольным считыванием информации.

■ Предложены способы идентификации движения, инвариантные к изменению освещенности сцены- Они подразделены на две группы. К одной отнесены способы, в которых используется дополнительная неизвестная переменная ФС-уравнения, характеризующая освещенность сцены. Другая группа включает способы, в которых использованы функционалы, нечувствительные к изменению освещенности сцены.

Пример функционалов, инвариантных' к изменению . освещенности сцены, дают функционалы в виде геометрических моментов различных порядков. Область применения таких функциналов ограничена, т.к. простые алгоритмы идентификации при этом получаются лишь при условии, что наблюдаемый объект имеет конечные размеры и не пересекает границ окна анализа.

Инвариантность к изменению освещенности доставляют и неаналитические функционалы, определенные на множестве координат положения градиентных особенностей изображения- Такие функционалы могут быть реализованы с использованием матричных приемников излучения. При этом получаются методы определения движения по своей сути близкие частотно-импульсным методам, реализация которых осуществляется обычно с применением точечных фотоприемников и вращащихся фильтрущих масок..

Рассмотрена' также группа способов определения угла сноса движения, в которой используется функционал в виде количества оптических неоднородностей в изображении. Эти способы отличаются простотой в реализации, но корректны лишь при малых углах сноса и специфичес-

ком виде яркоетного поля, в'пространственно-частотном спектре изображения которого должна существенно присутствовать высокочастотная составляющая.

Структура систем идентификации движения, полученных методом функционализации однотипна. В общем случае она представляет собой последовательное соединение изобразительной системы, координатно-чувствительного преобразователя изображения, фильтра видеосигнала, препроцессора- вычислителя коэффициентов ФС -уравнения, процессора-вычислителя решений ФС -уравнений, постпроцессора и автомата, управляицего работой всей системы в целом. В частных случаях некоторые из перечисленных устройств структу ры могут отсутствовать.

Производительность такой структуры определяется, в основном, быстродействием цифровых схем, на основе которых реализуется входящие в нее вычислители. Методическое обеспечение для проектирования ЦС асинхронного типа, на основе которых могут быть созданы быстродействующие схемы вычислителей, дает развитая в работе теория динамических процессов в ЦС. Теория содержит феноменологическую логико-динамическую модель (ДЦС) процессов в ЦС, учитывающую инерционные свойства элементного базиса, и общий метод качественного ализа процессов в предложенной модели ЦС, существенно сокращающий процедуры полного перебора, обычно используемые при анализе ЦС.

В отличие от известных моделей модель ЦС в виде приведенной ниже ДЦС (Ю)позволяет исследовать поведение ЦС при любых начальных данных , что дает возможность исследовать широкий класс динамических свойств, в частности, устойчивость, инвариантность состояний, грубость решений, а также решать такие классические задачи теории управления как достижишсть состояний и управляемость процессов. Кроме того теория позволяет исследовать процессы в ЦС при учете реальной формы сигналов и при интервальном задании инерционных параметров ЦС.

Модель процесса инерционного переключения входного сигнала базисного элемента (.6) цифровой схемы (ЦС) описывается с помощью интегро-функциональной системы двух уравнений (5,6), определяемых следующим образом.

Первое уравнение ••

лг) = ,то) + /Ф(х,рОО,.Г(\))с1\. (5)

г

• о

где ф^.р.г) = ь<г,р>[р <г)-"р *г<г)з

для (г.р.г)« ТхЕхИ1, Е=(0,1}, . - . I в.С(Т,й);

р ■* Е, р(1)- "временная последовательность" (далее просто

"последовательность" или "сигнал") функция ограниченной вариации на

любом конечном интервале времени. Множество последовательностей р

обозначается как П, П = (р>.

Ь(Ъ.р) : ТхЕ * л1 - функция веса, определяющая задержку, вносимую элементом 6 в сигнал р: о < е £ мг.р) £ «.>

& *<<г) = 1?;'¡; х2: р/- £; хг= г > 0 ~ ФУИ^я Хевисайда;

р" = 1-р. = 1 -Второе уравнение;

Г г0. если а = -^Ш) = 0* = р м.в Ж) *Ю<г<1>)). если а > ^МШ) * 0);. (б)

Г 0, г « О где х = < г, О £ г * 1 • ' I 1. г а 1

таж^,«! т(Ъ) = тах {г': V« ¿(г»' • кг) = сг'-е : (льт) * омочи') */и>.

Совокупность х(г).= < гСО, - состояние элемента в мо-

мент времени г <? I; х(1с) = х0= <20,^> - начальное состояние элемента.

Доказано,что решение системы (5,6) существует» единственно и неограничено продолжимо вправо и что J - абсолютно непрерывна, ограниченной вариации и что г^П.

Физической моделью оператора (5,6) является последовательно соединенный нелинейный интегратор (выход «1> с пороговым элементом р гистерезисного типа. Нелинейность интегратора . допускает

интегрирование входного сигнала р<и пока величина J находится в пределах 0 < «Т < 1 и принудительно приписывает значение, равное нулю, подынтегральному выражению, в противном случае. Пороговый элемент р осуществляет переключение О - 1 величины г, если ,1 г 1 , и переключение I ♦ 0, если J £ О. Если же 0 < J < 1, то 2 сохраняет предшествующее значение. Функция й(1,р) задает интенсивность интегрирования сигнала и, как следствие, - время запаздывай ия. вносимого в сигнал переключательным элементом.

Оператор (5, 6) моделирует как запаздывание, вносимое перекяю-*ательным элементом в сигнал, так и фильтрующие и интегрирующие свойства элемента, что не удается сделать другими известными простыми типами задержек.

Проведены экспериментальные исследования логических переключательных элементов, подтвердившие хорошие прогностические свойства тредложанной феноменологической модели.

Оператор (5, 6) далее называется оператором интегрирующей »адержки и для упрощения записывается в виде;

a(t)=Cx0] g * p(t) (7)

g е L - оператор интегрирующей задержки t={g}

знак * указывает область действия оператора g.

Изучены свойства оператора g. Основными из тшх являются полу-^руппоЕое свойство решен ий уравнения (7), а также свойство монотонности, которое формулируется следующим образом.

Пусть Тогда, если х^у^, и (неравенства

меют тот смысл, что zoi(t.)*z0j(t>, Joi(t)2 Joj(t), pJU^d) ' teT), TO выполняется: [Xoi3 g^P^t) S CXoj^sPjit) V t«T.

Вводится отношение частичного шрядка на L:

. :Cx0l]gl*pt(t)iCx0j]gj^pj(t) vpt>p.:v t-T. (8) .

Неравенство (8) шполняется тогде и только тогда, когда функции seca операторов gL и gj обладают свойством:

h^t.O^tt.O); ^(t.Dshjd.l) V wt.

На множестве операторов ь интегрирующей задержки вюдятся функции типа логических:

ДИЗЪЮНКЦИИ; g3=StVgz

h3(t,0) = maxihJt.O.h^.O»; h,(t.D = mlnihl(t,1),h2(t,l)>;

инверсии (отрицания);g;=g * H(t,p)=

Xio-Xo»

h(t,l) при p(t)=0; h(t,0) при p(t)=1.

По аналогии вводится операция конъюнкции операторов g.

Введенные функции от операторов обладает следующими свойствами

Операции л и V - коммутативны и ассоциативны, но не дистрибутивны.

Вводятся понятия мажорантной Мр(г) и минорантной тр^) последовательностей Мр(1)2ф(г)£гар(1Л * мажорантного (Ив) и миноран-тного (те) операторов задержки (Мф^тв).

Оператор % называется майорантным для оператора в, если Нв*ра> Ь в » Р(Ч) V реп. •

Процессы в схеме С, состоящей из N элементов каждый из которых выполняет некоторую логическую операцию ^, описывается логико-динамической системой уравнений (ДЦС) вида:

г<и=(з»<р<г<г),иа)). <ю>

где С - векторный оператор (.,.)>, 1еТТН - суперпози-

ция временных логических функций* (I)} - вектор входных

последовательностей* г (г )=(21{1)} - вектор выходных последовательностей . и(г)«пт=ит; гепм= г*; оь".

Переключательным процессом схемы С называется совокупность вектор-функций Х(Ь)=<г(1);1(г)>, (I = I = 1.Ы ), обращающая ДЦС (10) в тождество и удовлетворяющая начальным данным: Х(ХоД0Д0) = Х0 , X,, = <г0.10> = Х(10);

Вводится т.н< М.ш - модель цифровой схемы, которая учитывает неопределенность в задании значений ¿инерционных параметров схемы. Задача анализа решается в интервальной постановке, при которой известны лишь. интервалы, из которых задержки схемы принимают значения случайным образом. Допускается также интервальная неопределенность в задании моментов времени переключения входных последовательностей схемы.

Н.га - система строится по. виду ДЦС (7). Она имеет вид :

нга)=на«р(1И(1).шггш,ши(1).га1ГШ) .

где Ш и пй - мажоранта и миноранта для 2(1), Мй и тС - мажорирующий и минорирущий оператор для оператора б. В правой части (8) показаны вхождения переменных с отрицаниями и без отрицаний.

Справедлива следувдее Утверждение. Если X(Хо,10,t) является решением ДДС (|0), a совокупность ЖО^.^Д^тХО^.^Д^ - решением М.ш - системы (II), то MXC^.to.t+д) г x^.to.t) ä 11шд=+0 mX(3^.t0.t+A).

т.е. М.ш - система дает верхнюю и нижнюю огибающие (оценки) для решений исходной системы. Доказательство этого утверждения проведено с использованием свойства монотонности оператора . интегрирующей задержки.

Изложен численный метод построения входо-выходных последовательностей базисных элементов схемы. Метод основан на использовании т.н. Z - матриц, введенных Нетушилом A.B.. Z - матрица представляет собой двухстолбцовую матрицу, которая ставится в соответствие последовательности p(t). Первый ее столбец составлен из моментов времени переключений вица (0-1), а второй - переключений вида (1-> * 0) последовательности p(t). Z - матрицы оказались удобным инструментом для вычисления временных логических функций.

Дан итеративный метод построения решений ЛДС вида (10) и дока-чана его сходимость за конечное число итераций.

Приведено описание пакета программ diha, в котором реализованы тредложенные модели цифровых схем и алгоритмы построения входо-зыходных последовательностей. При прогонке пакета DINA на тестовых задачах известного пакета аналогичного назначения PICAD было полу-je но быстродействие в 1,5 - 3 раза более высокое.

С целью качественного исследования процессов в ДДС вида (10) зазвит общий метод качественного их анализа. Метод позволяет с >бщих позиций подходить к исследованию разнообразных свойств [ифровых схем и формулировать утверждения о свойствах в единой системе понятий и терминов, чего до сих пор в отношении цифровых схем делано не было. В основе метода лежит принцип сравнения с вектор->ункцией Ляпунова (ВФЛ). Концепция принципа предложена и развита в «¡ботах В.М. Матросова и возглавляемой им школы математиков, а акже в работах Р. Беллмана.

Последовательное применение принципа сравнения к анализу ДДС озволило найти регулярный способ построения систем сравнения для сследования различных свойств протекающих в ней процессов. Система равнения значительно проще в исследовании по сравнению с исходной ДС, что об ясняется ее монотонностью (в кибернетическом смысле), го свойство значительно упрощает анализ системы сравнения за счет

сокращения процедур перебора в множествах начальных данных, значений задержек и входных последовательностей.

Предметом исследования является качественные свойства процессов в ДЦС (10) на интервале времени Ткс Т. Для строгой формулировки динамических свойств процессов в ДЦС (10). Вводятся расстояния и системы окрестностей в множествах:

а) векторных последовательностей Ps=Cp®], i«1 ,N , Р8 « п,

Ч

p(Pi.Pz)= Jmax^p*(t)®p*(t)]dt; /5(Р,С0)=|Р|1 - норма Р;

. fco '

Со - функция константа нуль;

б) состояний выходов zN: r(Z*,Z2) = £ (2**z*);

v

в) состояний схемы xN: r(X1 .X2)=max|rtZ1 ,Z2), maxj J*jj;

г) задержек ь:

= maxi sup jh^t.Obtftt.O)! ,sup |h*<t,0)-h*€t,0>

teTk teT*

r(G1,G2)=max r(g*,g*); Gl=[gf|; G*=[g*]. i*T7F.

С помощью расстояний известным образом вводятся расстояния между подмножествами, а также системы окрестностей в этих множествах. Введенные системы окрестностей в множествах, описывающих функционирование ЦС, позволили на строгой основе формулировать и изучать динамические свойства ЦС.

Основными исследуемыми динамическими свойствами ЦС являются: устойчивость; грубость, реализуемость выходных последовательностей, а также устойчивость, инвариантность и достижимость состояний.

Определения этих свойств практически совпадают с классическими определениями аналогичных свойств в теории устойчивости движения, которые формулируются в терминах с,6 - окрестностей .

Предложено в качестве основного метода исследования свойств ЦС использовать принцип сравнения.

Основной задачей, на примере которой в работе развивается принцип сравнения и к которой сводится исследование большинства других сеоств процессо в ЦС, является задача достижимости состояний. Свойство достижимости состояний формулируется следующим образом.

Подмножество с г" состояний выходов системы (10) достижимо из подмножества 2^ с г", если при выполнении условия го=1с для любого состояния Ъ «5 и любого найдется

управление и(20Д0) и момент времени 1*. такие, что:

Вводится среда сравнения и система сравнения, функционирующая в этой среде. Среда сравнения с точностью до мощности пространств состояний, выходов и входов совпадает со средой функционирования схемы. Для различения этих сред используется индекс "с" в обозначении соответствующих множеств, например, хс- есть обозначение пространства состояния среды сравнения. Как у обозначается пространство состояний выходов среды ' сравнения--

У5 - выходной вектор системы сравнения. Полагается, что ТС=Т, Тос=Т;

Связь среды сравнения и среды функционирования устанавливается с использованием совокупности вектор-функций:

ДО=<У,У01,Уог>,

701: {0,1}" - (0,1 >ыс

У(г) = Гу^)], 1 « ТТп^, - временная логическая функция,

которая является аналогом функции Ляпунова з прямом методе анализа устойчивости движений.

Обозначается как е^М)) подмножество наборов значений переменной г, на котором функция обращается в нуль. V характеристическая функция подмножества о (\\). Функции У01 и Уоа определяют начальные данные в среде сравнения :

у0=У01=У(г0); £ = 7ог.= У(4).

Функция Уог - временная логическая функция. Она является суперпозицией логических функций, которые понимаются как функции непрерывкой логики.

Вводится функция сравнения (У(Ъ),п<1)), являющаяся суперпозицией временных логических функций конъюнкции и дизъюнкции. Операция отрицания не используется в этой суперпозиции. Система сравнения (СС) имеет вид:

уа)=ов.« рс<У(г),п<ю), • , (12)

где o<t) - вектор-функция входов системы сравнения. Существенно, что композиция операторов Gc«]f является изотонным оператором. Формулируется и доказываются свойства СС (12), которые используются при доказательстве следующей леммы сравнения.

Утверждение. Если существует вектор-функция W=<V,V01,V02> и оператор сравнения (G0*?^ .)) такие, что для любого Z выполняется:

V( [X0]G»P(Z,U(t)) s [ф G°*FC(V(Z ,t), o(t)),

где Gc= V(G), ; то решение Y*0Ç,to,t) системы сравнения (12)

обладает свойством--

ViZi^.^.t)) £ Ya£,t0,t), v

Основные трудности в применении метода БФЛ вызваны отсутствием способов построения ВФЛ и.систем сравнения с ними для ДЦС вида (10; В работе предложен эффективный способ построения СС с ВФЛ в задаче достижения состояний. Способ не использует эвристик и всегда приводит к построению ВФЛ при условии, что что разброс значений задержек в схеме достаточно мал.

Алгоритм построения следующий. Строится характеристическая функция v°(Z) для подмножества 2*, достижимость которого исследуется. Функция v°(Z) представляется в минимальной конъюнктивной нормальной форме (МКНФ). Каждая элементарная дизъюнкция (э.д. v°(Z)) этой формы объявляется компонентой искомой ВФЛ. Вычисляется первый сдвиг D(v°(Z)) каждой из этих компонент в силу исследуемой ДЦС (8):

D(v°(Z))=v°(G*F(Z,U(t))), (13)

т.е. каждая буква в v° заменяется функцией gt#iv(Z(U(t)). Затем в правой части (12) выносятся компоненты оператора G за знак функции Такое преобразование правой части (12) проводится с использованием свойства (9) операций дизъюнкции оператора интегрирующей задержки. При этом 412). превращается в неравенство

веда: D(v°(Z)) s v°<G)»X°°*<Z.(U(t>).

Функция (. ) опять представляется в МКНФ. После исключения из этой МКНФ по определенному . правилу некоторых "лишних" э.д. получается функция сравнения для компоненты v° ВФЛ. Ноше э.д. переменных ъ, появившиеся в функции ff, также объявляются компонентами ВФЛ 7 и обозначаются как v*. Для новых компонент

повторяется процесс построения первых сдвигов и функций'сравнения и так далее до тех пор, пока новые компоненты ВФЛ V появляться не будут. Итеративный процесс построения ВФЛ завершается за конечное число шагов. В результате получается система неравенств ••

и т ?={<..........

Система сравнения с ВФЛ записывается по виду этой системы неравенств в форме:

или в векторном веде:

У=Сс«Р(У,п(г)), (14)

где 0е - 7(0.

Логическая функция У (О является суперпозицией логических функций, определенных на множестве ь операторов интегрирующей задержки. Р°={^с}; {«°}=о(1) - вектор функция, компонентами которой

являются элементарные дизъюнкции входных переменных ц^) и (и ЛДС (10). Для системы сравнения (14) допустимы только такие начальные данные, которые удовлетворяют неравенству у0^ V(2п).

Показано, что исследование свойства инвариантности подмножества состояний ЛДС (10) и поиска области притяжения подмножества 2* состояний сводится к решению задачи достижимости такого состояния системы сравнения (14), в котором удовлетворяется равенство у° ео.

Система сравнения (14) изотонна, как по отношению к изменению начальных данных и входных последовательностей, так и по отношению к вариации параметров оператора задержеки й (в смысле полуупорядоченности операторов 6 в I). Этим упрощается задача анализа достижимости состояний.

Особое внимание уделено анализу свойства грубости ЛДС, т.е. свойства слабой зависимости решений ЛЦС (10) от вариации параметров задержек. Показано, что в общем случае анализ грубости решений ЛДС, сводится к анализу непрерывной зависимости решений системы сравнения с ВФЛ от вариации параметра задержки системы сравнения. Для анализа грубости и других свойств решений систем сравнения используются временные сети Петри. Это приводит к существенным упрощениям в анализе свойств систем сравнения.

Отличие предложенного варианта временной сети Петри от известных состоит в том, что введен специального вида переход -переход-задержка, моделирующий действие оператора интегрирующей

задержки. Даются правила функционирования введенной сети Петри. На такой сети доказано следующее Утверждение о грубости решений ДДС (10): Если решение у°(Сс гоД) системы сравнения

у = Сс*Рс(У.ои)) с ВФЛ У=[у^(2)], .построенной

итерационным методом в силу исследуемой ЛДС, где = •

и о с -с "

обладает сюйством = у4 (С0, 10Д ) = 0 и существует число

<5 >0 и мажорантный оператор Мйс --МО0 > Сс, г (Мер .гр )= 6, ,}

такие, что длительность максимального интервала времени д^, на котором выполняется:

у;<ас в у^нв с.х саь вг) « у % ^

стеснена неравенством ••

¡дгЧ < тпкшгда^а.о))"1,!^ (Юь1 а.пг1}, (15)

' I ■■ I 1

где Юь1**-.?) - функция веса оператора М^1 системы сравнения,

Л *

то выходная последовательность 2о(0,ХоЛоД) ДЦС (10) груба. Смысл неравенства (15) в том, что длительность всех интервалов д^,

на которых функции у](Сс отличаются от функций

у) ДО* вычисленных с варьированными задержками МС; должны

быть меньше длительности минимальной из задержкек схемы.. Данное утверждение позволяет сократить перебор при анализе свойства грубости решений ДЦС.

Практический интерес представляет случай, когда все задержки ДДС заданы одинаковыми интервалами. Изучена чувствительность процессов в такой ЛДС к ^алой вариации параметров задержек. Показано, что грубость , решения ДЦС определяется метрическими свойствами сети Петри, построенной для соответствующей этому свойству системы сравнения. Оценка расстояний во временной сети Петри получается достаточно просто подсчетом суммарной задержки прохождения маркеров в сети.

Показано также, что критериев достижимости состояний ЛДС и грубости решений являются такие легко проверяемые локальные свойства сети Петри, как наличие "коротких" петель обратной связи, одновременные появления маркеров в начальный момент времени в связных позициях сети, постоянное присутствие маркера в какой-дибо позиции. Аналогичные результаты получены и в отношении свойства устойчивости процессов в ДЦС.

Рассмотрена специфика применения метода сравнения к ЦС высокой размерности. Известно, что изучение свойств процессов в системах высокой размерности существенно упрощается при использовании подхода "декомпозиция - агрегирование". В методе сравнения оказалось возможно реализовать такой подход при анализе ЦС высокой размерности. Например, при решении задачи о соответствии ЦС желаемому автомату производится декомпозиция схемы на блоки относительно невысокой размерности, например, сумматоры, регистры и т.п. Для каждого из выделенных блоков и каждой терминальной переменной блока гтроится итерационным методом система сравнения с ВФЛ относительно свойств достижимости нулевого значения функций =г. ® г® (г" -зоответствупций выход эталонного автомата). Затем построенные системы сравнения агрегируются в полную систему сравнения, с томощью которой и решаются интересующие задачи о свойствах исходной НДС- На основе данного аппарата созданы программные инструменталь-■ше средства синтеза тестов производительности ЦС и тестов ЦС на динамические сбои.

В работе приведены краткие описания созданных систем определе-1ия параметров движения яркостных полей в реальном времени. Системы 5ыли созданы по НИР с различными предприятиями и КБ страны и тосбвджетным темам.

В описываемых устройствах реализованы различные варианты метода функционализации. Проведен анализ динамических свойств' Шфровых структур, реализующих метод функционализации на базе матричного (ПЗС) приемника излучения- Получены оценки предельно рстижимого быстродействия разработанных устройств. Приведены опи-:ания имитаторов движения, созданных для испытания макетных образ-10в разработанных систем, а также результаты экспериментальных ^следований.

Наиболее совершенный имитатор движения изображения выполнен на юнове трехкоординатной системы числового программного управления и йзлюфтовых шариковых передач фирмы РАиис. Система содержит три [вигателя постоянного тока, регулируемых с помощью реверсивных 'иристорных преобразователей напряжения. Система имеет замкнутые !ерез ЭВМ контуры регулирования скорости и положения по каждой »ординате- Погрешность позиционирования не хуже 2 мкм в диапазоне эв мм.

При проведении экспериментов использовались черно-белые зображения случайных яркостных полей и аэроландшафтов, включалцих

в частности, фрагменты горной местности в ясный день, летом с высотой стояния солнца около ьг град., фрагменты лесостепи с сельскохозяйственными угодьями, дорогами, облаками, летом с высотой солнцестояния около 60 град., фрагменты овражистых равнин и другие аэрофотоснимки. Снимки представлялись организациями-заказчиками.

В работе даны краткие описания следующих систем, созданных в процессе выполнения ряда хоздоговорных и госбюджетных НИР и реализующих защищаемые в работе методы и способы построения систем идентификации движения яркостных полей:

- система на базе микро-ЭВМ, в которой в качестве первичного преобразователя изображения использованы сопряженные с волоконно-оптическим коллектором фотодиоды ( система СОПДИ);

- система на базе быстродействувдего спец. вычислителя с аналогичным первому варианту преобразователем изображения (СИВСДИ);

- быстродействующая цифровая система на базе ПЗС -преобразователя изображения и цифрового спец. вычислителя <ЦС ОПД).

В системах СОДДИ и СИВСДЙ реализован обобщенный градиентный метод в задаче определения параметров двухкомпонентного вектора скорости движения подстилающей поверхности. Обе системы содержат препроцессор« - вычислители коэффициентов ФС-уравнений, реализующие метод наименьших квадратов при осреднении видеоданных во времени. Решение ФС-системы уравнений • производится в системе СОПДИ на микро-ЭВМ, а в системе СИВСДИ - на оригинальном вычислителе цифро-аналогового типа, производительность которого составляет около 100 тыс. решений ФС-системы в секунду.

На этих двух систем проводились первые эксперименты, подтвердившие работоспособность предложенных методов построения и исследования динамики систем идентификации движения. Основная погрешность измерения компонент вектора скорости подстилающей поверхности в экспериментах не превышала ЗЗЕ при диапазоне изменения измеряемых скоростей - 100, освещенности - 10-100 Лк и времени измерения - не более в.ь с.

Система ЦС ОПД создана на базе телевизионного преобразователя изображений (использующего ПЗС-матрицу типа ЦМ-7), работающего в обычном телевизионном стандарте. В качестве вычислителя использован оригинальной структуры цифровй вычислитель, осуществляющий как вычисление коэффициентов ФС-системы, так и построение ее решений. В системе реализовано управляемое окно анализа с программно варьируемыми параметрами и возможностью их адаптации к изменению статисти-

ческих характеристик и скорости движения изображения- В системе реализован метод наименьших квадратов с осреднением по множеству окон анализа в одном кадре телевизионного изображения- Количество окон в одном кадре достигало зе при вариации размера окон в пределах от 10x10 до 30x30 пиксел. При стендовых испытаниях ЦС ОПД была получена основная погрешность измерения компонент вектора скорости подстилающей поверхности не гтревышавдая i% в диапазоне скоростей до 5ев при времени измерения не более двух кадровых периодов телевизионного стандарта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе разработав дледувдие теоретические положения, составляющие методическую основу создания цифровых систем идентификации движения яркостных полей s ¡реальном времени.

1. Теоретические основы нового общего метода идентификации движения яркостных полей, ориентированного на реализацию в цифровых системах реального времени < метод функционализации параметров изо-5ражения>. Метод основан на вычислении производных по времени и тространству от специального вида функционалов, определяемых над анализируемым яркостным полем- Метод сводит процедуру определения 1эраметров движения к вычислению коэффициентов и построению решения шециального вида системы алгебраических уравнений (ФС-системы) и ie требует использования процедур поиска экстремумов и вычисления :верток- Последнее обстоятельство делает метод быстродействующим, коэффициентами ФС-системы являются измеримые характеристики изобра-сений- поэтому метод является корректным при любых типах изображе-:ий. Метод позволяет решать широкий класс задач, включающий задачи пределения параметров движения в реальном времени. протяженных и очечных объектов, задачи обнаружения и слежения за движущимися бъектами с подвижного основаниям т.п.

2. Теоретические основы общего строгого метода анализа процес-os в асинхронных цифровых схемах, используемых, в частности,

ля создания цифровых оптико-электронных систем идентификации движ-ния объектов. Метод развивает известный в общей теории систем ринцип сравнения с вектор-функцией Ляпунова в приложении к задаче нализа динамических свойств сложных цифровых схем и систем и хар&-теризуется универсальностью и быстродействием получаемых на его cHose алгоритмов анализа- Быстродействующими алгоритмы получаются результате того, что в методе сравнения не используются процедуры

полного перебора параметров и состояний исследуемой ЦС, без которых не обходятся все другие известные методы анализа ЦС.

Метод включает корректную логико-динамическую модель процессов в цифровых схемах логического уровня декомпозиции- Модель представляется в виде системы специального вида интегро-функциональных уравнений. Эти уравнения моделируют не только запаздывания, вносимые базисными элементами схемы в сигнал, но также их интегрирующие свойства. Модель позволяет анализировать процессы при интервальном задании значений задержек схемы. Эти особенности отличают предлагаемую модель от известных.

Дан эффективный метод Численного анализа логико-динамических моделей процессов в ЦС, отличающийся высоким быстродействием и универсальностью.

Даны строгие определения основным динамическим свойствам цифровых схем, чего до сих пор не удавалось сделать из-за отсутствия корректной математической модели динамических процессов в ЦС.

Найден универсальный способ построения вектор-функции сравнения и системы сравнения в задаче исследования достижимости состояний и управляемости ЛЦО, анализе свойств грубости и устойчивости решений ЛДС. Это позволило создать эффективные алгоритмы анализа указанных свойств.

Развитые методы позволили создать быстродействующие аппаратные средства для реализации систем идентификации движения.

Предложенные методы анализа цифровых схем могут быть использованы и при проектировании цифровых схем, систем, СБИС как специального.. так и общего назначения. Разработанные с использованием метода сравнения программные средства позволяют существенно сократить время, затрачиваемое на синтез тестов динамической верификации СБИС.

3. Получены результаты практического характера . К ним относятся:

- Конкретные способы и алгоритмы идентификации движения яркостных полей в реальном времени. Способы получены методом функционализации для конкретных типов наблюдаемых объектов, конкретных законов движения, условий наблюдения и конкретных видов преобразователей изображения.

- Структуры быстродействующих цифровых оптико-электронных систем идентификации дзижения объектов и конкретные системы, разработанные при сотрудничестве с рядом предприятий и КБ страны.

- Программные средства анализа динамических свойств сложных цифровых схем и систем реального времени,, реализующих созданные метода и способы идентификации движения яркостных полей. Эти средства отличается от аналогов высоким быстродействием, широтой класса решаемых задач и возможностью корректной инженерной интерпретации полученных результатов-

Практическая ценность работы подтверждена гнетами внедрения результатов работы на ряде предприятий г.Самары.

Автор надеется, что предложенные в работе методы позволят создать оптико-электронные системы, приближающиеся по своим функциональным возможностям по обнаружению и оценке скорости движения объектов к возможностям зрительных анализаторов живых существ-

Теоретические положения и практические разработки внедрены в учебный процесс, обобщены в учебно-методических разработках и опубликованы в 56 научных работах.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ I. Кузнецов П.К. Метод сравнения в анализе логико-динамической модели процессов в цифровых схемах. // Вестник Самарского Государственного технического университета. Серия инженерных наук. Вып I. -Самара: Изд-во СамГТУ, 1995, с.12-25.

Кузнецов П.К., Семавин В.И., Мишин В.Ю., Владимиров М.В. Метод функциональных преобразований в задаче определения скорости движения яркостных полей. // Вестник Самарского Государственного технического университета. Серия инженерных наук. Вып I. Самара: Изд-во СамГТУ. 1995. с.72-81.

3. Васильев С.Н., Кузнецов П.К., Лакеев A.B. Математическая модель функционирования переключательных схем с учетом инерционных свойств базисных элементов. / Доклады Академии наук. Серия Математика.-М.:"Наука", - 1995 г. С.

4. Васильев С.Н., Кузнецов П.К., Лакеев A.B. Математическая модель функционирования переключа

тельных схем с учетом инерционных свойств базисных элементов. // Сб.тр.Всероссийск.школы-семинара "Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление. Проблемы анализа стратегической стабильности. Т.2 - Иркутск-" ИрВЦ СО РАН, 1994, C.7I-77.

5. Кузнецов П.К. Метод векторных функций Ляпунова в анализе цифровых схем. // VI Четаевская конференция "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением", Тез.докл. - Казань:.

изд-во Казанского авиационного института, 1992. С.38. 6. Кузнецов П.К.* Ткаченко С.П., Козин М.П. Пакет прикладных программ для анализа асинхронных схем. // C6.tp.XIV Всесоюзного симпозиума "Логическое управление с использованием ЭВМ". Москва-Феодосия, август 1991. - М.: Наука. С.259-260. ?. Кузнецов П.К* Сети Петри в анализе Цифровых схем // Сб.тр-XIV Всесоюзного симпозиума. "Логическое управление с использованием ЭВМ*1. Москва- Феодосия, август 1991, - М.: Наука. С.254-259.

8. Кузнецов П.К. Метод сравнения с •■ вектор-функцией Ляпунова в анализе цифровых схем. -//Тр. хш Всесоюзн.. симп. "Логическое управление с использованием ЭВМ"- - М.-- Наука, 1990. С.89-93.

9. Кузнецов П.К. Модель прцессов 6 цифровых схемах. //Тр. хш Всесоюзн. симп. "Логическое управление с использованием ЭВМ". - М.: Наука, 1990. С. 45-53.

10. Кузнецов П-К. Метод определения движения яркостных полей в реальном времени. //Межвуз. сб- научн. тр. Алгоритмизац. и автоматиз. технологич- процесс, и технич- систем. - Куйбышев: изд. КуАИ» 1990, с. 13-24.

11. Кузнецов П-К- Метод функционализации в задаче обнаружения движущегося объекта. //Межвуз. сб! н^учн- тр. Алгоритмизац. и автоматиз. технологич. процесс, и технич. сйсТбМ- - Куйбышев: Изд. КуАИ. 1980,

с. 74 - 78.

12. Кузнецов П-К., Семавин В.И- Метод определения параметров движения яркостного поля- //известия ВУЗов. Приборостроение, 1390, N 6, - С. 26 - 30.

13. Кузнецов П.К. Метод векторных функций Ляпунова в анализе переключательных схем. //Межвуз. сб. научн. тр. "Идентификация и автоматизация технологических процессов .в мапшиностр." - Куйбышев: Изд. КуАИ. 1988, с. 71-80.

14. Кузнецов П.К. Принципы сравнения в анализе динамических свойств асинхронных переключательных схем. //Тез. докл. v Всесоюзн. Четаев-ской конф. "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением". - Казань: Изд. Каз. авиац. ин-та, 1987, с. 58.

15. Козин М.П., Кузнецов П.К., Ткаченко С.П. Модель инерционности переключательного элемента логической схемы. //Тр.. Всесоюзн. симп. "Логическое управление в промышленности с использование ЭВМ" -Москва-Устинов: Наука, 1987, с. 47-50.

Î6. Козин М.П., Кузнецов П.К., Ткаченко С.П. Условия существования состязаний в логических схемах. //Тр. Всесоюзн. симп. "Логическое

управление в промышленности" - Ташкент: ЖАН УзССР, I98S, с. 76-77.

17. Кузнецов П.К., Пупырев Е.И. Алгоритм анализа динамики переключательных схем. // Тр. Всесоюзн. симп. "Логическое управление в промышленности". - Куйбышев; Наука, 1985, с. 130-132.

18. Кузнецов П.К., Ткаченко С.П. Метод анализа динамических свойств логических схем. //Устойчивость и управление. - Казань-. Изд. Каз. авиац. ин-та, 1985, с. 51-59.

19. Козин М.П., Кузнецов П.К., Ткаченко С.П. Модель асинхронных переключательных схем. //Тр. Всесоюзн. симп. "Логическое управление в промышленности" - Куйбышев: Наука, 1985, с. 130-132.

20. Козин М.П., Кузнецов П.К., Ткаченко С.П. Чувствительность асинхронных переключательных схем к вариациям параметров задержек. //Тр. Всесоюзн. симп. "Логическое управление в промышленности" -Куйбышев: Наука, 1985, с. 53-56.

21. Абакумов А-М-, Кузнецов П.К., Мишин В-Ю., Семавин В.И. Система определения скорости движения изображения со случайным распределением яркостей- //Механаизация и автоматизация управления- Киев, 1984, n 1 (119), с- 44 - 47.

22. Кузнецов П-К-, Мишин В.Ю., Семавин В. И- Оптико-злектронная система определения вектора скорости движения объекта. //Тр. Всесоюзн. семинара "Методы и средства обработки оптич- инф." - М-: МДНТП, 1883, с. зз - 35.

23- Антипин В-В., Егоров А.Л.. Кузнецов П.К. Исследование динамики вычислительного устройства методом векторных функций Ляпунова-//Алгоритмизация и автоматизация технологических процессов и пром. установок-; Сб. Науч. работ- - Куйбышев: КуАИ. 1981. вып- 12, с. 15

24. Абакумов А.М-. Арефьев В.А.. Кузнецов П-К., Мишин .В-Ю-, Семавин В. И. Метод определения параметров движения объекта по его оптическому изображению. //Проблемы комплексного проектирования чувствительных элементов навигационных систем подвижных объектов. •• Материалы Всесоюзного совещания - Москва, 1981, с- 64 - 65.

25. Козин М.П., Кузнецов П.К. Исследование динамики модели цифровых устройств. //Тр. VII Всесоюзн. совещания "Теория и методы матем. моделирования" - Куйбышев: Наука, 1978.

26. Козин М.П., Кузнецов П.К. Анализ динамики дискретных автоматов. //Тр. Международной конФ. молодых ученых "Проблема проект, и применения дискретн. систем в упр". - Минск; Наука, 1977.

27. Козин М.П., Кузнецов П.К., Локтев H.A. Алгоритмы вычисления временных булевых функций. // Алгоритмизация и автоматизация

технологии, процессов и пром. установок; Межвузовский сборник.-Куйбышев: Изд. КуАИ, 1975, вып. 6, с. I07-IX5.

28. Козин М.П., Кузнецов П.К. Принцип сравнения и системы с цифровыми автоматами.//Тр. vi Всесоюн. совещ. по проблемам управления. - М.: Наука, 1974.

29. Козин М.П., Кузнецов П.К., Семавин В.И. Логика временных последовательностей. //Межвед. сб. Алгоритмизация и автоматизация технологии, процессов и пром. установок. Вып. 4 - Куйбышев, 1973.

30. Козин М.П., Кузнецов П.К. Элементы алгебры временных последовательностей. У/Тр. v Всесоюзн. совещ. по проблемам управления. -М.-- Наука, 1971.

31. A.C. 753244 (СССР). Способ измерения параметров движенйя протяженного объекта со случайным распределением яркостей. /А-М- Абакумов, И. А.Бережной, В. А-Денкевиц, П.К.Кузнецов, В-С-Ляпидов. В.Ю.Мишин, В-И.Семавин.

32. A.C. 801688 (СССР). Способ измерения параметров движения объекта и устройство для его осуществления. /А-М-.Абакумов, И.А.Бережной. П.К.Кузнецов. В.Ю.Мишин, В.И.Семавин, В.И.Цейлер. -

33. A.C. 838561 (СССР). Устройство для определения составлящей вектора скорости движения объекта. /А.М.Абакумов, И-А.Бережной, П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин. В-И-Семавин. - Опубл. в Б.И., i98i, и 28.

34. А-С. 858286 (СССР).Устройство для определения скорости движения объекта со случайным распределением яркости. /А.М.Абакумов, В-В.Антипин, П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин. В.И.Семавин. -

35. A.C. 895195 (СССР). Способ определения угла сноса движущегося изображения со случайным распределением яркостей. /А.М.Абакумов, И.А-Бережной. П-К.Кузнецов, В.Ю.Мишин, В.И.Семавин-

36. A.C. 908143 (СССР). Устройство для определения угла сноса движущегося изображения со случайным распределением яркостей. /А.М-Абакумов, П-К-Кузнецов. В-Ю-Мишин, В-И-Семавин, В.И.Цейлер.

37. А-С- 1015744 (СССР). Устройство для определения угла сноса движущегося изображения со случайным распределением яркостей. /А-М.Абакумов, П-К-Кузнецов, В-Ю-Мишин. В-И-Семавин, В.И.Цейлер.

38. A.C. 1053570 (СССР). Устройство для определения параметров движения объекта. /А.М.Абакумов, П.К.Кузнецов. В.Ю.Мишин. В.й.Семавин. , л • . ,

,39. A.C. 1061571 (СССР). „Способ определения скорости движения изображения со случайным распределением яркостей. /А.М.Абакумов, И.А.Бережной. П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин. В-И.Семавин. В.И.Цейлер.

40. A.C. 1064748 (СССР). Устройство определения скорости движения изображения со случайным распределением яркостей. /A.M.Абакумов, И.А.Бережной. П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин, В.И.Семавин, В.И.Цейдер.

41. A.C. 1085389 (СССР). Устройство для измерения вектора скорости движения изображения протяженного ■ объекта со случайным распределением яркостей. /А.М.Абакумов, П.К.Кузнецов, В.Я.Мишин, Д-Н.Проскуровский, В-И-Семавин.

42. А С- 1245089 (СССР). Устройство для определения скорости движения объекта со случайным распределением яркости. /А.М.Абакумов, В-В-Егоршин, П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин. Н-В-Николаенко, В-И.Семавин, А-В.Кислецов.

43. A.C. 1313177 (СССР). Устройство для определения параметров движения изображения оптически неоднородного объекта. /А.М.Абакумов, П.К.Кузнецов, В.Ю.Мишин, В.И.Семавин, В.А.Арефьев.

44. A.C. 1522873 (СССР). Устройство для определения параметров движения изображения со случайным распределением яркостей. /А.М.Абакумов, В.А.Арефьев, С.Б.Бакулев, В.Ю.Мишин, В-И.Семзвин.

45. A.C. 1743287 (Россия) Устройство для определения скорости движения изображения объекта со случайным распределением яркости/В.Е.Агеев, С-А-Анайкин, В-Н.Войтенко, В.И.Семавин, П-К-Кузнецов, В.Ю.Мишин.

46. A.C. 1742729 (Россия) Устройство для определения составляющей вектора скорости движения объекта/ В.Е.Агеев, -Кузнецов П.К., В.И.Семавин - Опубл. 22.02.92 Б.И. N23.

47. Патент России Sü 1827024 A3 Опубл.07.07.1993 / Кузнецов П.К. и др.

\