Дипломная (вкр): Система технического зрения для управления мобильным роботом

,

где  - показатель колебательности,  - частота среза

Требования к надежности формулируются, как способность системы безотказной работы в течении определенного срока времени. Вероятность отказа системы подчиняется экспоненциальному закону:

,

где  - интенсивности потока отказов n элементов.

К концу советского периода был достигнут следующий уровень показателей: среднее время наработки на отказ - 100-1000 ч., средний срок службы до капитального ремонта - 2-20 лет, допустимое время непрерывной работы - 16-24 ч.

Рис. 1.9 Алгоритм работы СТЗ советского периода

Следующей важной особенностью коллективной монографии является общепринятый в то время алгоритм работы СТЗ (рис. 1.9). Забегая вперед нужно отметить, что все СТЗ советского периода были однопроцессорными. Данный принцип заложен в современную структурно-функциональную схему современных однопроцессорных СТЗ, называемой трехуровневой архитектурой СТЗ [воротников-2005]. Перед тем, как приступить к обсуждению процессов обработки, анализа и распознавания изображений кратко охарактеризуем состояние и технические требования к современным СТЗ на примере рынка России и зарубежа.

В современном мире СТЗ относятся к группе бесконтактных пассивных информационных средств. В большинстве случаев они в своем составе не имеют излучателя и функционируют в широком диапазоне волн электромагнитного излучения - от 10^-12 до 10^-1. Как известно [воротников-2005] СТЗ, работающие в оптическом диапазоне (0,38…0,78 мкм) наиболее распространенные (рис. 1.10).

Рис. 1.10 Электромагнитное излучение

Особенностью таких СТЗ является их способность формировать изображение в виде массива амплитуд его двумерной функции яркости

У современных СТЗ выделяют 3 основных признака:

) по сложности решаемых задач - мощные, средние, малые и персональные;

) по структуре вычислительного процесса - однопроцессорные, многопроцессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки;

) по типу первичного преобразователя - одномерные 1D, двумерные 2D, подвижные двумерные K2D, трехмерные 3D. В работе [воротников-2005] отмечается, что распространение получили 5 типов СТЗ. Такое деление обусловлено сложностью технической задачи и типом используемых датчиков (табл. 1).

Таблица 1

Основные типы современных СТЗ

В таблице 1 использованы следующие обозначения: M - матричная архитектура, K - конвейерная архитектура, MK - смешанная, т.е. матрично-конвейерная архитектура, Т - транспьютер.

На рис. 1.11 изображена структурная схема однопроцессорных СТЗ. Здесь в персональный компьютер входит блок предварительной обработки изображений. Обычно он реализуется программно, но при необходимости на рынке можно купить и специализированную аппаратную реализацию, называемую фреймграббером. Аппаратная реализация более быстрая, но предоставляет меньше возможностей оперативной корректировки управляющих параметров методов предварительной обработки изображений, реализованных на аппаратном уровне.

Рис. 1.11 Архитектура однопроцессорного СТЗ

Примером отечественных фреймграбберов являются системы «Видеоскан» и «Мегапиксел». В таблице 2 приведены некоторые реализации промышленных СТЗ и их краткая техническая и прикладная характеристики [воротников-2005].

Таблица 2

СТЗ зарубежного и российского производства

Дипломный проект ставит целью не исследование, проектирование или разработку СТЗ на аппаратном уровне, а создание эффективного проекта и программной системы на базе однопроцессорной архитектуры. Поэтому проведем обзор современных СТЗ по их основным техническим параметрам и функциональным возможностям. Это позволит четко выделить отдельные виды современных архитектур СТЗ, хотя в таблице 1 они предварительно уже были озвучены. Для обзора используем статью [головастов-2010] и ассортимент товаров компании ADLINK.

Платы видеозахвата по способу обработки сигналов делятся на аналоговые и цифровые. Четырехканальные промышленные платы PCI-RTV24 и PCIe-RTV24 c шиной PCI Express x1 позволяют захватывать аналоговое видео с 4 композитных входов, как цветных (PAL, SECAM, NTSC), так и черно-белых форматов (CCIR и EIA). Такие реализации работают на частоте 30кадров в секунду по каждому каналу и позволяют получить изображение разрешением 640х480 и 768х576. Программным путем можно установить требуемый масштаб изображений, изменить яркость, контрастность и насыщенность в пределах 0 до 200%. Дополнительно для стандарта NTSC возможна регулировка оттенка, и все платы снабжены системой автоматической регулировки цветности. Опционально эти платы могут быть дополнены модулями расширения RTV-E4, которые позволяют увеличить число видеоканалов до 16. Еще одним вариантом расширения системы является плата RTV-I4, предназначенный для увеличения количество дискретных линий ввода-вывода. Платы PCIe-RTV24/PCI-RTV24 поддерживают следующие ОС: Windows Vista (64/32 разрядные версии)/XP/Xpe, Microsoft DirectX? Linux Platform Fedore Core 3, Kernel 2.6.22. В состав рекомендуемого ПО входят C#/.NET/VC++/VB/C++ Builder/Delphi, драйвер приложений Angelo-LVIEW на платформе LabVIEW, программа для тестирования и инсталляции основных функций ViewCreatorProTM. К числу аналоговых плат этой фирмы также относятся платы cRTV-24/cRTV-44. Они обычно выполняется в формате CompactPCI. Плата cRTV-24 поддерживает 32-разрядную шину PCI с частотой 32 МГц. Плата cRTV-44 рассчитана на 64-разрядную шину частотой 66 МГц. Эти платы используются в составе шасси CompactPCI/PXI. Основными недостатками аналоговых плат видеозахвата являются: гребешковые искажения, обусловленные чересстрочной разверткой; их привязанность к телевизионным стандартам PAL, NTSC, SECAM; снижение четкости изображения из-за цифро-аналогово-цифровых преобразований; чрезмерная подверженность к помехам. Такие системы как стандарт имеют двух и более шинную архитектуру (рис. 1.12а). Основными областями применения представленных устройств являются системы охранного видеонаблюдения, аппаратура многоканальной видеозаписи, промышленные системы контроля, устройства управления, построенные на базе машинного зрения, приборы для научных исследований, медицинской диагностическое оборудование [головастов-2010].

Рис. 1.12 Современные архитектуры СТЗ (а - двухшинная, б - на базе матричного процессора, в - конвейерная)

Использование цифровых видеосистем имеет неоспоримые преимущества. У ADLINK она представлена линейкой товаров PCIe-CML64F. Одноканальная PCI Express x4 плата видеозахвата PCIe-CML64F поддерживает захват видео и передачу видеоданных по цифровому интерфейсу Camera-Link в трехконфигурациях Base/Medium/Full. В составе платы используются микросхемы ПЛИС, что позволяет получить высокую гибкость, большую производительность и улучшить качество, используя функции предварительной обработки изображений. Анализ протокола CameraLink позволяет сделать предположения об архитектуре платы. Протокол CameraLink создавался для стандартизации разработок ведущих компаний EPIX, Integral Technologies, Matrox, National Instruments с целью подключения высокоскоростных видеокамер. Режиму Base характерно: один чип, один разъем, передача 28 битов за такт связи, максимальная пропускная способность 3х56 МГц=255 Мбайт/с (теоретически). Режим Full характеризуется тем, что используется три чипа, два разъема, передача 84 битов за такт связи, максимальная пропускная способность составляет 8х85 МГц=680 Мбайт/с. Протокол CameraLink при всех своих достоинствах имеет и недостатки: длина кабеля до 10 метров, в конфигурациях Medium и Full пары кабелей должны быть одинаковыми, стоимость реализации получается достаточно высокой, соединение имеет вид точка-точка, что усложняет подключение нескольких камер. Плата поддерживает работу с ОС Windows Vista (64/32 разраядные)/XP. Рекомендуемое ПО для разработки прикладных решений в лице C#/.NET/VC++ 6.0/VB 6.0/ Borland C Builder 6.0. Другая линейка товаров представлена в виде плат PCIe-CPL64, PCIe-GIE62 и FIW64/FIW62. Особенностью этих плат является использованная в них технология POD (Power Over Data, питание поверх данных) - питающее напряжение подается на подключенную камеру по кабелю передачи данных от интегрированного на плате видеозахвата модуля питания. Двухканальная PCI Express плата видеозахвата PCIe-CPL64 поддерживает передачу по интерфейсу POCL (Power over Camera Link). Используется два независимых источника видеосигналов стандарта CameraLink со скоростью 512 Мбайт/с. Плата поддерживает 64 разрядную адресацию до 16 Гбайтного пространства, DDR RAM объемом 128 Мбайт. Новинкой такого класса оборудования является плата PCIe-GIE62+ способностью передача данных в 1000Мбит/с от видеоустройств, подключенных к двум независимым портам Gigabit Ethernet. Неоспоримыми преимуществами применения данных плат следует отнести простую инсталляцию, отсутствие необходимости в дополнительных линиях питания, невысокие затраты на обслуживание оборудования, низкая стоимость владения. Эти платы используются в различных отраслях промышленности, на транспорте, в системах безопасности.

Как видно из обзора высказывание автора работы [воротников-2005] об обхвате однопроцессорными СТЗ в пределах 80% существующего рынка подтверждается. Дипломный проект будет посвящен в дальнейшем именно этому типу архитектуры. Не умаляя общего, кратко опишем и другие виды СЗТ. Появление явного аппаратного параллелизма предварялась попыткой смоделировать параллельные вычисления на однопроцессорных архитектурах. Первый шаг в этом направлении был сделан разработкой многошинной архитектуры, т.е. в целях уменьшения времени на пересылочные операции из памяти в процессор и обратно были разделены информационные потоки. Примером такого технического и коммерческого хода является модель DT-100 от фирмы Data Translation. Архитектура DT-100 относится к типу двухшинных и более (рис. 1.12а). В двухшинных и более варианте архитектур СТЗ блоки БО₁,…, БО_N прямо подключены к шине изображения и могут работать независимо от остальных и при всем этом параллельно решать определенный круг задач. Основным недостатком такой архитектуры является возникновение конфликтов на шинах. Разрешение этого конфликта возможно в двух вариантах:

1. организация жесткой приоритетной дисциплины обращения к шинам, что дает большой выигрыш по быстродействию, но реализация такой технологии возможна только для определенного круга задач;

2. использование шинного арбитра и диспетчера заданий, что позволяет анализировать любые изображения, но его реализация ведет к временным потерям на их анализ, определение процедур обмена и выдачу текущих заданий блокам обработки данных.

Реализация параллельной обработки требует слишком большого числа вычислительных блоков, что обусловило переход к смешанному последовательно-параллельному принципу организации вычислений. Примером реализации этого принципа является модель79а фирмы Kawasaki [воротников-2005].

Система на базе матричного процессора проводит параллельную обработку данных. Архитектура матричных процессоров обозначается SIMD (Single Instruction Multiple Data) представляет собой матрицу процессоров, каждый из которых имеет свою локальную память, и управляются одним устройством (рис. 1.12б). Для задач, которые можно разбить на слабосвязанные подзадачи матричная архитектура предоставляет максимально возможный вариант по скорости его решения. Примером реализации такой системы является СТЗ PEPE, используемая Министерством обороны США [воротников-2005].

Конвейерная (поточная) архитектура СТЗ эффективно при обработке массивов данных за длительный период времени (рис. 1.12в). Архитектуры подобных систем обозначаются MISD (Multiply Instruction Single Data). Такая система эффективна при обработке массивов с большим числом элементов поля и градаций яркости. Структурно конвейерная архитектура реализуется в виде линейно связанных вычислительных процессоров. Максимальный эффект от этого достигается только тогда, когда все они загружены своими задачами. Если какой-то из процессоров завершает решение задачи раньше, то следовательно он не успел получить от предыдущих вычислительных элементов задачу на выполнение, и как следствие максимальный эффект снижается. Примером такой системы является СТЗ PIPE для обработки сложных изображений в реальном времени [воротников-2005].

Ну и наконец, самым передовым видом СТЗ являются технологии построения высокоскоростных систем параллельной обработки изображений на базе транспьютеров. Транспьютерные системы позволяют изменять топологию процессоров, создавая различные типы параллельных архитектур вида: линейка, кольцо, дерево, решетка, гиперкуб и т.п. Известно, что для каждой задачи обработки и анализа изображений существует оптимальная технология, гарантирующая ее эффективное решение. Например, для задачи распознавания технических изделий наибольший эффект дал бы транспьютер древовидной архитектуры. Это обусловлено тем, что процесс обработки начинается с цветных изображений большой разрешенности и протекает в сторону уменьшения их сложности за счет перехода к менее информативным изображениям. И так далее от простых изображений к анализу и распознаванию на признаковой основе [воротников-2005].

Дипломный проект не ставит целью исследование других архитектур, отличных от архитектуры однопроцессорной СТЗ. Поэтому их изучение остается за рамками данной работы, и они ранее были бегло описаны. Выбрав даже в качестве объекта исследования архитектуру однопроцессорной СТЗ, отметим, что аппаратная реализация части задач процесса обработки, анализа и распознавания изображений обусловлена всего лишь необходимостью убыстрения этого процесса, но не позволяет ответить на вопрос о составе методов обработки и анализа изображений, а также последовательности их применения. Более сложным современным аспектом в области цифровой обработки и анализа изображений остается проблема автоматического проектирования СТЗ. Этим вопросом отдельно занимается теория автоматического управления по проблеме параметрического и структурного синтеза систем []. Ту же самую проблему можно исследовать и в области цифровой обработки и анализа изображений с привлечением специализированного математического аппарата дескриптивных алгебр изображений [Журавлев, Гуревич, Яшина, Исхаков].

Исследованием методов обработки и анализа изображений занимается специализированное научное направление, называемое компьютерным зрением или цифровой обработкой и анализом изображением. Задача распознавания изображений остается за рамками этих исследований и принадлежит области научных разработок теории распознавания образов технической кибернетики. Цифровая обработка и анализ изображений не имеет своего математического аппарата, а его методология базируется на классической математике. Разрозненность методов цифровой обработки и анализа изображений обусловлена применением различных разделов этой математики, что привело к использованию, хотя бы, различных терминологий, не говоря уже об используемых математических методах обработки и анализа изображений и их описании. С целью исключить эту фундаментальную методологическую проблему в Вычислительном Центре им. А.А. Дородницына РАН под руководством акад. Ю.И. Журавлева и к.ф.-м.н. И.Б. Гуревича был разработан новый математический аппарат, позднее получивший название дескриптивного подхода к обработке, анализа и пониманию изображений.

1.3 Дескриптивный подход к обработке, анализу и распознаванию изображений И.Б. Гуревича и В.В. Яшиной

Основы дескриптивного подхода были заложены академиком РАН Ю.И. Журавлевым. Алгебраический подход к обработке, анализу и распознаванию изображений базируется на алгебраическом подходе к распознаванию образов и алгебре алгоритмов [журавлев]. Существенное влияние на форму этого подхода также оказала теория образов У. Гренандера [гренандер]. Аналогичные исследования проводились зарубежными учеными С. Стернберг и Г. Риттер []. В настоящее время официальные работы по алгебраическому подходу к обработке, анализу и распознаванию изображений ведутся только в пределах Российской Федерации ВЦ им. А.А. Дородницына РАН комитетом IAPR TECHNICAL COMMITTEE #16 по тематике «Algebraic and Discrete Mathematical Techniques in Pattern Recognition and Image Analysis» [#"724634.files/image021.gif"> изображения  называется множество  точек , принадлежащих области определения  реализации изображения , и множество значений  в каждой точке .

Согласно концепции ДАИ, исходные изображения - реализации изображений составляют только часть исходных данных согласно лемме.

Лемма 1 [Гуревич, Яшина-2012]. Изображение  задается множеством исходной информации }, являющимся прямой суммой двух подмножеств  и : .