"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 3, 2014

оглавление

УДК 621.391

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ БЫСТРО ДВИЖУЩЕГОСЯ МАЛОКОНТРАСТНОГО ОБЪЕКТА НА ЗАШУМЛЕННОМ ИЗОБРАЖЕНИИ

 

А. П. Трещалин, И. С. Осадчий, В. П. Богданов

Московский Физико-технический институт (государственный университет)

 

Статья получена 13 марта 2014 г.

 

Аннотация. Рассматривается задача определения положения быстро движущегося объекта на зашумленном изображении, полученном с помощью ПЗС камеры. Применение преобразования Радона позволяет выделить траекторию движения. Преобразование Фурье от автокорреляции вдоль найденной траектории дает возможность найти скорость движения в плоскости изображения. По найденной скорости, с учетом особенностей работы ПЗС камеры, строится модель движения. По максимуму корреляции находится начальное положение объекта. Разработана модель системы, и с ее помощью получены оценки достижимой точности определения положения объекта при различных отношениях сигнал/шум.

Ключевые слова: быстро движущийся объект, зашумленное изображение, преобразование Радона, автокорреляция, взаимная корреляция, компьютерная модель.

Abstract. The problem of determining the position of a fast moving object in a noisy image obtained using the CCD is considered. Application of Radon transform allows to select the motion path. Fourier transformation of autocorrelation along the trajectories obtained allows to find the speed in the image plane. Using this speed and taking into account features of CCD it is possible to construct the motion model. Maximum correlation is the initial position of the object. A model of the system is worked-out, which permits to obtain estimates of achievable accuracy of the object location at different signal/noise ratios.

Keywords: fast moving object, a noisy image, Radon transform, autocorrelation, cross-correlation, the computer model.

 

Введение

В настоящее время происходит непрерывный рост числа объектов «космического мусора», то есть вышедших из строя летательных аппаратов и их фрагментов, остающихся на околоземной орбите. Одним из способов поискатаких объектов являетсясоздание оптико-электронных устройств, состоящих из оптической системы, ПЗС-матрицы и алгоритмов автоматического детектирования [1]. Фрагменты «космического мусора» на видеоизображении проявляются как быстро движущиеся и малоконтрастные элементы за счет слабого оптического сигнала,  отраженного от их поверхности и попадающего на плоскость ПЗС-матрицы. В связи с этим, основной проблемой разработки методов и алгоритмов обнаружения и нахождения координат объектов является достижение как можно меньшего порога соотношения сигнал/шум, при котором происходит выделение объектов на изображении.

Варианты решения проблемы предлагались в работах [2] – [4].  В [2] рассматривается задача обнаружения и оценки координат астероидов на серии ПЗС кадров, при этом предполагается, что на формируемых ПЗС-матрицей кадрах изображение астероида идентично изображению звезд. Кроме того, определение положения астероида на изображении основано на локальной статистике, полученной при внутрикадровой обработке. Работа [3] посвящена цели улучшения изображения треков, полученных при пороговой обработке кадров. В [4] предлагается использовать локальную фильтрацию для сглаживания изображения. Так как съемка предполагает большие времена экспозиции, после пороговой обработки строится непрерывная траектория. Оценка координат конечных положений строится по максимуму локальной корреляции сигнала и модели.

Все рассмотренные методы и алгоритмы строятся на локальной обработке изображений и, следовательно, могут работать только при больших отношениях сигнал/шум. В данной статье описан метод, основанный на статистической обработке, что обеспечивает его работоспособность при значительно меньших отношениях сигнал/шум.

Постановка задачи

Для видео фиксации пространства используется оптическая система, проецирующая сигнал на плоскость ПЗС-матрицы. ПЗС-матрица имеет фиксированный кадровый период , где  – время накопления заряда, в течении которого формируется изображение,  – межкадровый интервал, в течении которого фотоприемники неактивны и отсутствует накопления заряда. В процессе работы , и  не изменяются. ПЗС-матрица имеет собственный шум накопления заряда, который может иметь различные характеристики. Для формирования дискретного изображения из накопленных ПЗС-матрицей зарядов используется аналого-цифровой преобразователь, который так же добавляет шумовую составляющую на изображение.

В поле зрения оптической системы находится один исследуемый объект. На видеоизображении движение данного объекта является прямолинейным и равномерным. При этом, скорость объекта и величина оптического сигнала, попадающего на плоскость ПЗС-матрицы, могут быть различными.

Необходимо определить траекторию движения и начальное положение объекта на изображении при различных вариантах соотношения сигнал/шум. За сигнал принимается световой поток, отраженный от исследуемого объекта, прошедший через оптическую систему и попавший на плоскость ПЗС-матрицы. Шум состоит из собственных шумов ПЗС-матрицы и шума квантования АЦП.

Основные этапы

Предлагаемый метод использует последовательность кадров для определения траектории и положения исследуемого объекта на изображении. Для выделения основных этапов рассмотрим процесс формирования последовательности кадров оптико-электронной аппаратурой.

Световой поток собирается оптической системой и фокусируется на плоскость фотоприемника, который преобразует падающие фотоны в электроны. В течение времени экспозиции  происходит накопление фотоэлектронов в ячейках ПЗС-матрицы. По окончанию времени  за время заряд переносится в вертикальные регистры. Затем из вертикальных регистров заряд переносится в горизонтальные регистры и попадает на выход ПЗС-матрицы в виде напряжения. Напряжение подается на АЦП, где происходит квантование уровней напряжений.

Исходя из этого, изображение траектории на последовательности кадров будет представлять собой прямую пунктирную линию. Длинна штрихов (накопленного сигнала) будет составлять , а расстояние между ними (упущенного сигнала)