Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
31
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
МЕЩЕРЯКОВ Володимир Іванович
УДК 681.7.075:535.023: 621.37
05.13.06 Автоматизовані системи управління
та прогресивні інформаційні технології
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Одеса – 2004
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Одеській державній академії холоду Міністерства освіти і науки України на кафедрі систем автоматизованого проектування
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор
Становський Олександр Леонідович,
Одеський національний
політехнічний університет, завідувач кафедри нафтогазового та хімічного машинобудування
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Бідюк Петро Іванович,
Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,
професор кафедри математичних методів системного аналізу;
доктор технічних наук, професор
Козак Юрій Олександрович,
Одеська національна академія зв’язку, завідувач кафедри інформатизації і управління;
доктор технічних наук, професор
Скатков Олександр Володимирович, Севастопольський національний технічний університет, завідувач кафедри кібернетики
і обчислювальної техніки
Провідна установа: Державний науково-дослідний інститут
інформаційної інфраструктури Міністерства зв’язку та інформації України, м. Львів
Захист відбудеться 1 липня 2004 р. о 13 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1, ауд. 400-А.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Одеського національного політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.
Автореферат розісланий 27 травня 2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 Ю.С. Ямпольський
В задачах дистанційного автоматизованого управління високоенергетичними процесами сучасних інформаційних технологій можна виділити клас об’єктів, в яких об’єм генеруємого або відбитого потоку інформації про їх стан перевищує пропускну спроможність систем передачі та переробки даних. Для віддалених об’єктів, які переміщаються, така інформація може виявитися єдино доступною, тому розробка методологічних основ та інструментальних засобів, які забезпечують функціонування у відповідній АСУ підсистеми обробки інформації для прийняття рішень є дуже актуальною.
Найпоширеніший вид прямого та зворотного зв’язку з такими об’єктами –електромагнітне (наприклад, лазерне) випромінювання, на жаль, набуває різноманітних спотворень під час свого розповсюдження крізь атмосферу, обумовлених неоднорідностями коефіцієнта переломлення середовища. Це ускладнює як одержання достовірної інформації про стан об’єкта управління, так і передачу до нього інтенсивного управляючого лазерного потоку. Метод фазового сполучення, який полягає у формуванні вихідного потоку випромінювання з хвильовим фронтом, зворотним відбитому від об’єкта, принципово дозволяє компенсувати турбулентні спотворення каналу передачі. Однак дана операція потребує наявності інформації про випромінений та відбитий хвильові фронти і формування керуючих впливів за той надто короткий час, на протязі якого атмосферний канал можна вважати стаціонарним. Такі обмеження накладають вкрай складні вимоги до швидкодії інформаційних каналів обробки.
Якщо відстань до об’єкта істотно перевищує його розміри, інформація про його стан представляється двовимірною функцією розподілу інтенсивності, тобто зображенням. Перетворення зображення для вироблення керуючих впливів може бути здійснене як оптичними, так і оптико-електронними методами. На жаль, перші, які мають безперечну перевагу по швидкості обробки, недостатньо розвинуті, тому оптико-електронні методи та пов’язана з ними цифрова обробка інформації у даний час не мають альтернатив. Однак, з іншого боку, цифрові системи в багатьох випадках здійснюють принципово послідовне перетворення даних з істотно меншими швидкостями, тому виникає невідповідність між швидкістю надходження вхідної інформації у вигляді оптичних зображень і обмеженою пропускною здатністю системи її обробки, що, відповідно до теореми Шеннона, не може не викликати додаткових спотворень.
Проблема ускладнюється ще й тим, що сучасні алгоритми стискування зображень з високим коефіцієнтом компресії не працюють у режимі реального часу згаданих процесів. Крім того, задача управління високоенергетичними процесами, що зводиться до автоматизованого розподілу щільності потужності інтенсивного випромінювання, яке викликає деструкцію матеріалів, вимагає визначення вихідних енергетичних характеристик цього розподілу, що ускладнюється відсутністю інструментальних засобів, здатних не тільки витримувати високі енергетичні навантаження, але й надавати достовірну інформацію щодо їхнього рівня.
Розробка основ передачі та перетворення інформації, які забезпечують управління високоенергетичними процесами в умовах, коли інформаційний канал не в змозі здійснити переробку всього вхідного потоку інформації, що надходить у вигляді зображень, а потребуюча регулювання вихідна щільність енергії випромінювання знаходиться на рівні руйнування матеріалу об’єкта управління складає суть наукової проблеми, розв’язуваної в роботі.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до рішень комісії Президії РМ СРСР № 228 і Постановою РМ СРСР № 139.49 від 27.01.1986 р., а також за напрямком досліджень, що декларувалися в Постановах КМ України № 609 від 01.09.1994 р., № 796 від 10.10.1995 р., № 1273 від 17.08.1998 р., № 1487 від 13.08.1999 р., № 1216 від 04.08.2000 р. і № 961 від 09.08.2001 р.
Метою роботи є підвищення ефективності дистанційного управління високоенергетичними процесами, інформація про стан яких надходить у вигляді спотворених каналом передачі зображень, шляхом розробки і впровадження адаптованої до особливостей об’єкта управління автоматизованої системи перетворення інформаційних потоків.
Для досягнення цієї мети в роботі були розв’язані такі задачі:
–запропонована управляюча інформаційна система (УІС) прийняття рішень для управління високоенергетичними процесами, яка включає інформаційну та ідентифікаційну підсистеми;
–обґрунтована принципова можливість ефективного формування керуючих впливів УІС, пропускна здатність якої менше за об’єм переданої інформації;
–розроблені швидкодіючі методи стискування інформації, представленої у вигляді зображень;
–розроблені методи моделювання випроміненого і відбитого від об’єкта хвильових фронтів імпульсного електромагнітного випромінювання;
–вдосконалені базові алгоритми фільтрації зображень стосовно до систем обробки інформації реального часу;
–розроблені інструментальні засоби визначення розподілу енергії інтенсивних імпульсних потоків теплового випромінювання в діапазоні енергій руйнування конструкційних матеріалів;
–в різноманітних застосуваннях підтверджена практична ефективність запропонованих методів перетворення інформації.
Об’єкт дослідження –процеси передачі та переробки інформації в автоматизованих системах дистанційного управління.
Предмет дослідження –інформаційні системи реального часу стосовно до дистанційного управління високоенергетичними процесами.
Методи дослідження. Для постановки і рішення задач використана загальна теорія систем і системного аналізу, а також теорія функціональних систем. Для побудови моделей використані теорії: переносу, інформації, дифракції, лінійна теорія електронних систем, гармонійного аналізу, методи теплового моделювання. При розробці інтелектуальної підтримки і прийняття рішень використовувалися методи: апроксимації, теорії прийняття рішень, теорії нечітких множин, розпізнавання образів і штучного інтелекту, цифрової обробки зображень, ситуаційного управління. Для дослідження та ідентифікації параметрів технології виготовлення прийомних електродів використовувалися методи: тонкоплівкової мікроелектронної технології, оригінальні і серійні промислові установки, методи електронної мікроскопії, рентгеноструктурного і хімічного аналізів, профілогафії, інтерференційного і спектрального аналізів. Для дослідження енергетичних, динамічних і метрологічних характеристик розроблених установок використовувалися теорії планування експерименту, вимірів, обробки результатів експериментальних досліджень.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в створенні теоретичних і методологічних основ підвищення ефективності перетворення інформації в реальному часі дистанційного управління високоенергетичними процесами.
Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:
–вперше встановлено, що управляюча інформаційна система з пропускною здатністю, меншою за потік вхідної інформації, може забезпечити управління об’єктом;
–вперше розроблений метод стискування зображень в реальному часі процесу управління, який полягає в розпізнаванні інформативних ознак попередньо спрощеного зображення і наступній обробці інформативних зон;
–вперше розроблений метод обробки зображень, що полягає в сегментації зображення на скінченну кількість класів і подальше оперування з ознаками (маркерами) класу, які несуть в собі інформацію про об’єкт, що зберігається в базі знань;
–вперше обґрунтовано, що пропускна здатність каналу перетворення не може бути меншою за різницю інформаційної ємності перетвореного зображення і ємності бази знань;
–одержали подальший розвиток швидкодіючі алгоритми обробки інформаційних масивів, який полягає у розпаралелюванні обчислень зворотних матриць і визначенні контурів зображень;
–одержали подальший розвиток алгоритми стискування зображень у системах діагностики зі складним фоном, який полягає в обробці тільки змінних інформаційних фрагментів;
–одержали подальший розвиток інструментальні засоби обробки первинної інформації матричних приймачів випромінювання, який полягає в управлінні діагональним переміщенням матриці на половину кроку розташування чуттєвих елементів синхронно з частотою зміни напівкадрів з інтерполяційним формуванням проміжних даних;
–одержали подальший розвиток методи ізотропної обробки первинних зображень для підвищення надійності і вірогідності визначення інформаційних ознак шляхом підвищення симетричності спектральної характеристики за рахунок діагонального розміщення чуттєвих елементів у фокальній площині;
–одержав подальший розвиток метод паралельної контурної обробки зображень анізотропними кореляційними фільтрами, який полягає в розташуванні перетворювачів під різними кутами до зображення, яке перетворюється;
–одержали подальший розвиток методи моделювання хвильового фронту інтенсивного випромінювання з інтерполяцією за формулою Пуассона і використанням експериментальних значень інформаційних ознак, які виробляються системою, та нахилу хвильового фронту на зрізі апертури коректора;
–одержало подальший розвиток моделювання специфічних крайових ефектів при проходженні інтенсивних лазерних потоків крізь діафрагми, що відрізняється від відомого представленням джерела випромінювання експонентною функцією Гріна;
–одержало подальший розвиток моделювання корекції амплітудних спотворень профілю пучка випромінювання, який полягає у врахуванні фазових спотворень хвильового фронту випромінювача;
–вперше розроблена модель взаємодії інтенсивного лазерного випромінювання з прийомним електродом, яка враховує неоднорідності поверхневого шару електроду.
Практичне значення отриманих результатів. Методи компресії і фільтрації зображень у реальному часі використані в ЦНДІМаш при розробці і впровадженні спеціалізованої АСУ процесами взаємодії високоентальпійних газових потоків з теплозахисними матеріалами, що за рахунок прискорення обробки інформації приблизно в 1000 разів забезпечило підвищення надійності функціонування систем теплового захисту.
Запропоновані методи обробки інформації дозволили НДІ “ШТОРМ”розробити конструкторську документацію (літера О) на піроелектричні перетворювачі і вимірювачі хвильового фронту та створити системи управління просторово-часовими характеристиками інтенсивного інфрачервоного випромінювання. За рахунок впровадження в НДІ “ШТОРМ”методів попереднього опромінення прийомного електрода імпульсним потоком заданої експозиції енергостійкість приймачів інтенсивного випромінювання підвищено в 2,5 рази.
Розроблені інформаційні методи перетворення зображень використані НДІПМ в автоматичному дешифраторі кінограм процесів горіння, що дозволило зменшити строки впровадження об’єктів нової техніки.
Система медичної діагностики, яка використовує розроблені методи перетворення інформації і управління інфрачервоними потоками, впроваджена в НДІ Курортології. В МК “ІНТО-САНА”розроблено систему обробки рентгенівських зображень у реальному часі проведення коронарографії і коронарного стентування при хірургічному втручанні на серце.
Матеріали дисертації впроваджені в навчальний процес в Одеській державній академії холоду.
Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача полягає в теоретичному узагальненні та аналізі існуючих і розробці нових методів підвищення ефективності перетворення зображень для управління високоенергетичними процесами, створенні та удосконаленні математичних і експериментальних методів дослідження. Дисертантом виконаний аналіз літературних джерел за напрямком досліджень, розроблені методики [4, 6, 9, 17, 30, 34, 35, 37 –, 41, 44, 49], створені теоретичні основи управління високоенергетичними процесами при представленні інформації про процес у вигляді зображень [2, 3, 5, 7, 11, 13, 15, 20, 22, 25, 28, 29, 46, 55, 56, 58], побудована система перетворення зображень в реальному часі [8, 10, 14, 16, 18, 21, 23, 26, 31, 36, 47, 48, 59, 60], доведені до практичного використання результати теоретичних розробок [1, 3, 4, 12, 17, 19, 24, 27, 32, 33, 40, 42, 43, 45, 50 –, 57, 61 –]. Автор брав безпосередню участь в постановці, організації і впровадженні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, а також в оцінці їхньої ефективності.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації обговорювалися на: V галузевій конференції “Аналітичні методи дослідження матеріалів і виробів електронної промисловості”(Київ, 1989), конференції АН СРСР “Швидкодіючі елементи і пристрої волоконно-оптичних і лазерних інформаційних систем”(Севастополь, 1990), конференції “Оптичні датчики фізичних величин”(Кишинів, 1990), конференції “Охорона-92”(Саратов, 1992), конференції “Охорона”(Ялта, 1993), 3, 4, 6 –конференціях з автоматичного управління “Автоматика”(Севастополь, 1996, Черкаси, 1997, Харків, 1999, Львів, 2000, Одеса, 2001), XVII та ХХ конференціях “Дисперсні системи”(Одеса, 1996, 2002), конференції “Проблеми і перспективи розвитку виробництва і споживання”(Одеса, 1997), конференції “Вібротехнологія-98”(Одеса, 1998), конференції “Автоматизація технологічних об’єктів і процесів”(Донецьк, 2001), Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми механіки чорно-металургійного комплексу”(Дніпропетровськ, 2002), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні і електронні технології”(Одеса, 2003), V науково-практичній конференції “Комп’ютерне моделювання та інформаційні технології в науці, економіці і освіті”(Черкаси, 2003), науково-практичній конференції “Інформаційні технологи і моделювання”(Кременчук, 2003), X семінарі “Моделювання в прикладних наукових дослідженнях”(Одеса, 2003).
Публікації. Результати дисертації викладені в 65 публікаціях, в тому числі, у 27 статтях в журналах зі списку фахових видань ВАК України, 1 депонованій статті, матеріалах 20 конференцій і 4 авторських свідоцтвах і патентах.
Структура й об’єм дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п’яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел, що містить 341 найменування, і 26 додатків. Її основна частина викладена на 281 сторінках і містить 53 рисунки і 4 таблиці.
У вступі розкриті суть і стан наукової проблеми, її значення для практики, обґрунтована об’єктивна необхідність проведення досліджень, дана загальна характеристика дисертації.
В першому розділі розглянуті інформаційні проблеми дистанційного управління високоенергетичними процесами на прикладі взаємодії теплозахисних матеріалів з високоентальпійними газовими потоками та конструкційних матеріалів з інтенсивним лазерним випромінюванням. Показано, що електромагнітне випромінювання, яке генерується процесом, містить дані про просторово-часові енергетичні характеристики, які визначають стан об’єкта управління. Опис цього енергоінформаційного поля, як правило, не може бути зведений до єдиної інтегральної характеристики або інформації про стан локальної точки об’єкта. Для віддалених об’єктів електромагнітне поле представляється розподілом інтенсивності в площині, тобто зображенням, яке несе інформацію про процеси, що протікають, і може бути використане в якості сигналу зворотного зв’язку при управлінні високоенергетичними процесами.
Випромінювання, зформоване аналізованим високоенергетичним процесом і розповсюджуване по атмосферному каналу до відповідного приймача, може бути представлене як дійсна скалярна хвиля амплітудою A(x, y, z) з частотою ω і визначене як рішення хвильового рівняння , де t –час; U –комплексна амплітуда хвилі, що дорівнює в наближенні Френеля: ; g –функція положення. При функція положення є функцією рівної фази або хвильовим фронтом. Для комплексної амплітуди хвилі справедливе рівняння Гельмгольца , де –хвильове число, λ –довжина хвилі. При випадковій функції коефіцієнта переломлення середовища n, рішення цього рівняння не існує, тому вводяться спрощення, зв’язані з нехтуванням впливом дифракційного розсіювання та малою швидкістю загасання хвилі за напрямком поширення. При збігу осі z з напрямком поширення хвилі виходить параболічне рівняння вигляду: , називане рівнянням квазіоптики, із граничними умовами в точці існування джерела , де n –флуктуації показника переломлення.
Якщо розглядати хвильовий фронт як центр вторинних збурювань і замінити сферичний фронт параболічним відповідно до принципу Гюйгенса-Френеля, то буде справедливим співвідношення –відповідно, амплітудний і фазовий профілі поля в площині випромінювача, коли . Воно виконується за умови, що радіус першої зони Френеля менший за радіус оптичної неоднорідності. З даного виразу випливає, що амплітуда хвилі в оптично неоднорідному середовищі залишається незмінною, а флуктуації показника переломлення змінюють лише фазовий профіль хвилі, тобто виконується принцип адитивності фазових коливань: .
Звідси випливає принципова можливість компенсації впливу розподілених неоднорідностей по трасі поширення випромінювання зосередженим коректором, якщо його коригувальна фаза обрана з умови , де –довжина траси. Стосовно до локаційної системи, коли випромінений і розсіяний промені поширюються за однією і тією ж трасою, тобто проходять крізь однакові неоднорідності, якщо зневажити часом їхнього поширення в порівнянні з часом квазістаціонарності атмосферного каналу, задачу можна звести до визначення хвильового фронту і формування комплексно сполученої хвилі. Для точкових випромінювача і об’єкта при прийнятих допущеннях алгоритм компенсації каналу є оптимальним і сходиться за одну ітерацію.
Якщо зневажити дифракційним розсіюванням випромінювання, компенсація спотворень каналу перетворення може бути досягнута методом фазового сполучення. Однак особливості функціонування системи управління, зв’язані з необхідністю оптико-електронного перетворювання зображень у реальному часі квазістаціонарності атмосферного каналу, а також з малою пропускною здатністю цифрової підсистеми, обмежують можливості методу. Існуючі фундаментальні напрямки розвитку інформаційних технологій, зв’язані з підвищенням тактових частот, укрупненням елементарних операцій і розпаралелюванням алгоритмів, не вирішують проблеми, а найбільш ефективні алгоритми стискування цифрових зображень (JPEG, вейвлет, фрактальні тощо) не працюють у режимі реального часу. У цих умовах перспективними виглядають підходи, які дозволяють здійснювати стискування зображень у темпі їхнього надходження.
Керованість вихідним енергетичним потоком системи може бути досягнута тільки при наявності інформації про дійсний розподіл вихідної потужності випромінювання, щільність якого знаходиться на рівні сублімації матеріалу об’єкта. Крім того, необхідна інформація в реальному часі управління про дійсний розподіл нахилів хвильового фронту, оскільки існуючі моделі фазового управління припускають гаусів закон розподілу вихідної інтенсивності, використання якого для опису інтенсивних інфрачервоних джерел не є коректним.
Таким чином, головними задачами інформаційного забезпечення управління високоенергетичними процесами є: зменшення інформаційної щільності вхідних потоків та одночасне підвищення пропускної здатності підсистеми обробки даних; перетворення інформації за час квазістаціонарності атмосферного каналу для забезпечення можливості формування керуючих впливів; створення інструментальних засобів для інформаційного забезпечення автоматичної системи управління високоенергетичними процесами.
У другому розділі розглядаються питання узгодження вхідних зображень із пропускною здатністю інформаційної підсистеми, обґрунтовуються пропоновані підходи до стискування зображень, методи їхньої реалізації в реальному часі та аналізуються наслідки такого перетворення.
Для виділеного класу об’єктів, в яких об’єм генеруємого або відбитого потоку інформації про їх стан перевищує пропускну спроможність систем передачі та переробки даних, загальна структура інформаційних потоків в АСУ високоенергетичними процесами виглядає таким чином (рис. 1).
Рис. 1. Структура інформаційних потоків в АСУ високоенергетичними процесами
Структура потоків включає дві складові: інформацію про стан об’єкта та інформацію про спотворення в каналі передачі випромінювання. Випромінювання, поширюючись крізь атмосферу з неоднорідностями коефіцієнта переломлення, перетерплює спотворення, які компенсується методом фазового сполучення. Для цього формується предспотворена хвиля, хвильовий фронт якої є зворотним до випроміненої. Визначення відбитого і формування випроміненого хвильових фронтів здійснюється в реальному часі квазістаціонарності атмосферного каналу з використанням раніше відпрацьованих коректором хвильових фронтів керуючих впливів, алгоритми яких знаходяться в базі знань.
Інформація про стан об’єкта управління піддається попередній обробці (рис. 1), яка полягає в спрощенні зображення шляхом частотного стискування, чим досягається скорочення його інформаційної ємності до рівня скінченної кількості класів його опису. Сегментація дозволяє формалізувати зображення скінченною кількістю ознак, сукупності яких за функціональною спрямованістю, поєднуються в маркери. На даному етапі обробки виділяється інформативна зона зображення з врахуванням того, що вона не повинна перевищувати пропускну здатність інформаційного каналу системи. Зона містить найбільш значиму частину інформації про об’єкт. Інформативна зона зображення і виділені маркери надходять в інформаційну систему для наступної обробки, причому маркери ініціюють викликання з бази знань тієї інформації, яка за попередньо накопиченими експертними відомостями найбільш відповідає реакції системи управління на отриману інформацію про стан об’єкта. Обробка інформації, яка надходить з виділеної зони, забезпечує уточнення ситуації щодо еталонної, представленої в базі знань, і за цією сукупністю приймається рішення про формуванню керуючих впливів.
Таким чином, загальна АСУ високоенергетичними процесами містить дві головні підсистеми: компенсації спотворень каналу перетворення методом фазового сполучення та обробки інформації за допомогою перетворювачів з обмеженою пропускною здатністю.
Схема першої підсистеми наведена на рис. 2. Друга підсистема обробки з обмеженою пропускною здатністю повинна забезпечувати такий рівень стискування, який дозволяє формувати керуючі впливи в реальному часі процесу управління. Параметричні методи підвищення швидкодії не забезпечують перетворення всього об’єму інформації, що міститься в зображенні, тому розглянуті питання про необхідний об’єм інформації для адекватного управління, яке відповідає цільовій функції системи. З огляду на той факт, що система управління завжди має скінченну кількість реакцій на нескінченну множину зовнішніх впливів, можливе спрощення вхідної інформації до рівня скінченної кількості класів, на які в стані реагувати керуюча система. У відповідності з теорією інформації це означає формальне узгодження інформаційних ємностей передавача і приймача.
Повнота представлення інформації. Модель вихідного зображення може бути представлена матрицею, по вертикалі якої відображаються повнота представлення інформації, по горизонталі – точність опису інформації. Для конкретної задачі значення повноти і точності –суть величини сталі, тому
Рис. 2. Схема компенсації спотворень каналу перетворення методом фазового сполучення
можна оцінювати їхню зміну, увівши коефіцієнти повноти КП і точності КТ відображення первинної і вторинної інформації як відношення кількості ознак первинної αП і вторинної αВ інформації: КП = αВ/αП і як відношення кількості знаків опису вторинної і первинної інформації: КТ = βВ/βП. Коефіцієнти відображення повноти і точності можуть приймати значення: КП 1; КТ 1, оскільки інформаційна система може містити у власній пам’яті уточнені значення деяких параметрів. Увівши міру первинної і вторинної інформації стосовно до інформаційної матриці у вигляді МП = αПβП і МВ = αВβВ, можна оцінити адекватність перетворення з огляду на різну значимість ознак Р = МВ/МП, які теж можуть приймати значення ?1.
Звідси випливає кілька важливих наслідків. При P < 1 об’єм вторинної інформації менший за об’єм первинної, і необхідна оцінка достатності інформації для управління. Оскільки при формуванні матриці можна розташувати ознаки в міру зростання їхньої значимості, цей критерій може бути використаний як граничний. При P = 1 об’єм вторинної інформації цілком відповідає за істотними ознаками первинній інформації, що міститься в перетвореному при стискуванні зображенні, і його достатньо для здійснення управління процесом. При P > 1 об’єм вторинної інформації перевищує об’єм первинної, отже, модель перетворення настільки розвита, що забезпечує поповнення інформації, яка надходить, із власних ресурсів. Останній випадок становить найбільший інтерес для систем реального часу, оскільки дозволяє використовувати тільки ознаку наявності корисної інформації у вхідному зображенні і направляти її для ініціалізації раніше накопиченої системою інформації, заощаджуючи тим самим обмежену пропускну здатність каналу перетворення.
Стискування інформації. Якщо розглядати інформаційну ємність вхідного зображення як , де n –кількість незалежних відліків при m стійких станах, то для зображення з полем огляду lxly при проходженні вибірок з періодом, обумовленим максимальними просторовими частотами сигналу , вираз для інформаційної ємності здобуває вигляд . Звідси випливає, що ефективними методами стискування можуть бути скорочення смуги переданих частот і зменшення поля.
Аналіз цього підходу дозволив запропонувати модель перетворення зображень, яке включає три етапи. На першому етапі здійснюється спрощення зображення за рахунок подавлення верхніх частот вихідного зображення за допомогою низькочастотної фільтрації. Ступінь подавлення визначається конкретною задачею і має на меті скорочення класів представлення зображення до кількості можливих реакцій системи управління. Реалізація цього етапу можлива незначним дефокусуванням зображення вхідним об’єктивом у реальному часі надходження інформації, дефокусуванням променя в дисекторних перетворювачах, аналоговою фільтрацією відеосигналу, а також програмним шляхом при обробці кодового еквівалента.
Другий етап полягає у виділенні інформативних зон зображення. Спрощення зображення дозволяє сегментувати його на обмежену кількість класів, підвищуючи тим самим надійність класифікації. Найбільш інформативними елементами зображення у відповідності до теорії штучного інтелекту і теорії зображень є: перепади яскравості, контури, такі найпростіші фігури як коло, відрізок, трикутник. Для них характерні найбільші градієнти яскравості, відмінність у спектральному складі, а для найпростіших контрастних зображень –інверсна окантовка, яка виникає після обробки ізотропним низькочастотним фільтром з характеристикою функції . Якщо виявлення цих точок використовувати для обмеження тілесного кута огляду оптико-електронної підсистеми, то це дозволяє обмежити поле огляду lxly, здійснивши тим самим стискування перетворюваного зображення.
Отже, процедура розпізнавання повинна починатися безпосередньо після першого етапу попередньої обробки зображення. Саме процес розпізнавання, заснований на семантичному характері інформації, та такий, що передує третьому етапу –детальній обробці виділеної локальної ділянки сфокусованого зображення, є тим інформаційним механізмом, який забезпечує високу ступінь стискування зображень у реальному часі процесу управління.
Виділення ознак. Процес розпізнавання є трудомісткою процедурою, яка вимагає значних часових і інтелектуальних витрат, тому для систем реального часу прийнятні лише найпростіші методи з високою швидкістю їхнього виконання. Спрощення зображення попередньою обробкою дозволяє представити вхідні зображення скінченним набором q ознак, які описують об’єкт. Позначивши ознаки зображення як при наявності навчальної послідовності, що складається з g непересічних класів Q, Q,…,Qg, одержуємо таблицю навчання Tqg, у якій кожному рядку відповідає одне з зображень навчальної послідовності. Після доповнення таблиці інформацією про пріоритетність опорних навчальних зображень і близькості зображення, що надходить, навчальному вирішальне правило класифікації зводиться до судження про належність аналізованого зображення ханал заданому класу Qg. Зокрема, прийнятний метод порівняння з еталонами, у якому обчислюються відстані між виділеними ознаками і заданим еталоном, описаним мовою цих ознак, для якого мінімальною є відстань або їхній скалярний добуток, що служить мірою подібності.
Ще більше спрощені і, відповідно, більш швидкодіючі способи класифікації, засновані на порогових методах. Представимо оператор порогової обробки зображення таким чином:
де –класифіковане за деяким критерієм на однорідні області зображення, () –кількість інтервалів інтенсивності, кожному з яких може відповідати кілька замкнутих однорідних за інтенсивністю областей у , –набір упорядкованих за рівнем порогів. Точки оброблюваного зображення, інтенсивності якого знаходяться в одному інтервалі, утворюють клас однорідності .
Виділення інформаційних ознак не може бути зведене тільки до порогових методів. Їхня застосовність обмежується, як правило, зображеннями, що мають рівномірний або гладкий фон. Для рішення цієї задачі були проаналізовані диференціальні методи, оскільки задача є актуальною і для обробки інших зображень. У розробленому алгоритмі і реалізованому програмному продукті, що працює в реальному часі спостерігаємого процесу, стискування (> 1000 разів) відбувається за рахунок виділення інформативної частини, під якою розуміли зміни, що відбулися щодо останнього збереження. Інформацією, яка не ввійшла до даної області, нехтували. Алгоритм використаний у задачах управління складними об’єктами.
Час розпізнавання, який диктує припустиму складність, а отже і функціональні можливості використовуваних алгоритмів розпізнавання, визначається динамічними характеристиками керованих процесів, отже, для повільних процесів алгоритми можуть бути складніше. Принципово важливо те, що для систем реального часу розпізнавання передує детальній обробці зображень, тобто інтелектуальна частина обробки інформації зміщується убік її первинного перетворення, що дозволяє перерозподілити функції обробки в управляючій інформаційній підсистемі.
Маркерне управління. Оскільки кількість ознак, які описують вхідне зображення, скінченна, а кількість реакцій системи управління на зовнішні впливи обмежена, то при наявності пропонованого необоротного стискування інформації можна, перетворюючи зображення за сукупністю ознак, сформувати посилку (маркер) щодо характеристик одержуваного з досліджуваного процесу сигналу зворотного зв’язку. Найпростішими маркерами служать: сукупність ознак елемента зображення по перевищенню заданого порога, положення в полі огляду і форма сигналу на рівні порога, що характерно для первинного представлення віддалених енерговипромінюючих об’єктів. Маркер, як повідомлення, містить набагато менше інформації, ніж початковий елемент зображення, який він представляє, і вимагає меншої пропускної здатності каналу передачі. Достоїнства маркерного представлення зображень особливо відчутні в розподілених системах управління.
Умова адекватності перетворення P > 1 для інформаційних систем здійсненна лише при попередньому нагромадженні системою інформації і видачі її в момент запиту. Отже, інформаційна підсистема повинна мати базу знань щодо високотемпературних процесів, які управляються, і можливість користування цією базою. Найбільш очевидне джерело цих знань –експерти, оскільки задачі, які розглядаються, спеціалізовані, і їхнє коректне рішення можливе тільки при спільному математичному і фізичному моделюванні з багаторазовим уточненням отриманих результатів. Більш того, з урахуванням дефіциту часу на прийняття рішень і вироблення керуючих впливів системою управління на базу накладаються функції узгодження вхідної і вихідної інформації для управління виконавчими органами.
Оскільки розпізнавання є прямою задачею, а управління –зворотною, то воно зводиться до наступного. Є дві множини об’єктів: –вхідних зображень і –керуючих реакцій. Передбачається наявність невідомого оператора , що зіставляє кожному фіксоване , тобто . Наявні в базі значення прогнозу відрізняються від з-за погрішностей перетворення і наявності невизначеності. При створенні інформаційної підсистеми експертами апріорі конструюється множина операторів , досить близьких до , тобто створюється клас вхідних об’єктів, які характеризуються реакцією на них керуючої системи. При наявності набору ознак спрощеного зображення задача управління зводиться до формування маркера, виклику реакції системи на даний маркер і перевірки ступеня неузгодженості, тобто встановлення адекватності управління.
Вхідне зображення щодо такої бази знань розглядали у вигляді двохкомпонентної адитивної інформаційної моделі, перша складова в якій містить дані, інформація про які і реакція на які відомі системі в повному обсязі і зберігаються в базі знань , а друга –несе в собі всю міру невизначеності щодо подій, які відбуваються в об’єкті , і може розглядатися як відхилення від прогнозу. Перша складова цілком визначена. Звідси випливає, що пропускна здатність каналу не може бути нижче щільності потоку інформації, що відповідає невизначеній частині повідомлення.
При розгляді інформаційних підсистем з позицій рівня апріорної інформації щодо вихідного зображення їх можна розділити на детерміновані, стохастичні і змішані. Найбільшу передбачуваність і, відповідно, швидкість обробки забезпечують детерміновані системи. В міру зниження рівня апріорних даних здійснюється перехід до змішаних і стохастичних систем. Пропонований підхід означає зсув змішаної моделі убік детермінованої. Схема інформаційної підсистеми обробки зображень представлена на рис. 3.
Рис. 3. Інформаційна підсистема обробки зображень
Вона являє собою відкриту активну структуру, яка накопичує результативні рішення в базі знань. Взаємодія інформації, що надходить, з інформаційною підсистемою дозволяє не тільки істотно зменшити об’єми інформації, що переробляється, за рахунок зменшення оброблюваного поля, але і користуватися послугами бази знань про події, які вже відбулись. Швидкість обробки інформації такою керуючою системою, в основному, визначається виконавчими органами і швидкістю реагування на неузгодженість.
В третьому розділі розглядається корекція спотворень, внесених атмосферним каналом, багатоканальна обробка вхідних даних з розпаралелюванням алгоритмів, методи формування вхідного фазового фронту і вихідного хвильового фронту інтенсивного випромінювання інформаційною підсистемою.
Корекція спотворень. Інтенсивне інфрачервоне випромінювання накладає певні обмеження на висновки щодо оптимальності компенсації спотворень. Вихідну апертуру інтенсивних джерел не можна віднести до точкової, а для фокусування випромінювання на об’єкті необхідно створити хвилю, подібну відбитій, але таку, що поширюється в зворотному напрямку. Отже, потрібно мати не тільки фазове, але й амплітудне сполучення, що для інтенсивних джерел випромінювання нездійсненно, оскільки коректори, засновані на керованому поглинанні потужності випромінювання апертури, неприйнятні внаслідок великих щільностей випромінювання і відсутності енергостійких матеріалів.
Єдиним на сьогоднішній день типом коректорів, що витримують подібні теплові навантаження, є гнучкі керовані дзеркала, наприклад телескоп Кассегрена з внутрішнім керованим і зовнішнім пасивним дзеркалами. Звідси випливає, що метод фазового сполучення для інтенсивних потоків із усіх спотворювань може компенсувати лише вплив неоднорідностей, розміри яких значно перевищують довжину хвилі. Для рішення задач управління необхідна інформація щодо розподілів нахилів хвильового фронту випроміненого і відбитого потоків, а також розподілів щільності потужності у випроміненому і відбитому пучках.
Паралельна обробка інформації. Оскільки час квазістаціонарності атмосферного каналу складає 4 –мс, а час сприйняття, перетворення інформації і формування керуючих впливів не повинний перевищувати цю величину, стає очевидним, що методи сканування зображень з періодом 20 –мс неприйнятні. Тому розроблено багатоканальний матричний приймач, який здійснює паралельне перетворення інформації з наступним запам’ятовуванням сигналу аналоговою пам’яттю. Масштабування, порогову обробку і препарування виконували методами аналого-цифрової обробки, що забезпечило їхню реалізацію практично в реальному часі.
Представлення інформації в паралельній формі визначило і методи наступної її обробки. При цифровій обробці використана особливість цифрових фільтрів –однаковість значень коефіцієнтів по зовнішньому контуру околиці фільтрації. Це дозволило накладати околиці двох сусідніх фільтрів. У такому випадку найпростіші 9-точкові фільтри при паралельній роботі і табличному управлінні операціями здійснювали обробку інформаційного поля за 4 ітерації.
Для визначення контурів запропонована анізотропна фільтрація, заснована на тому, що різницевий сигнал з виходу слідуючих один за одним рухомих анізотропних фільтрів F та F (рис. 4) максимальний у точках максимального градієнта G, які належить контуру K.
Оскільки такий кореляційний фільтр дає ефект при нормальному підході до контуру, потрібний поворот зображень, що представляє ресурсномістку операцію, яка не може бути використана в системах реального часу. При багатоканальній обробці така операція не представляє проблему, оскільки можна повертати фільтри, а не зображення. Для анізотропного фільтра 7 Ч 1 можливих кутів –, отже, необхідна паралельна робота 12 кореляційних фільтрів з наступним використанням максимального з отриманих значень (рис. 5). Аналіз функціонування анізотропних фільтрів показав, що принцип прийняття рішення про кореляційний зв’язок форми контуру об’єкта з формою фільтра за максимумом заємно кореляційної функції дозволяє здійснювати розпізнавання найпростіших образів, що розв’язується паралельно-послідовним методом фактично у реальному часі.
Рис. 5. Анізотропний фільтр
Рис. 6. Схема побудови формувателя хвильового фронту
Визначення хвильового фронту. Первинну інформацію про нахили хвильового фронту отримували шляхом пропущення хвилі випромінювання крізь дифрагуючий отвір в центр розробленого квадрантного приймача випромінювання (рис. 6). Для цього в центрі квадранта формували диск Ейрі із симетричним розподілом інтенсивності, на який приходиться 84 % усієї потужності. При нахилі хвильового фронту диск Ейрі зміщувався по нормалі до фронту і це відхилення фіксували.
Датчики хвильового фронту визначають його вибіркові нахили, при цьому просторова частота дискретизації найчастіше буває не погодженою з теоремою Котельникова. Звідси випливає, що відновлення хвильового фронту можливо лише при умовах гладкості функції фази хвилі . Для аналізу плавності зміни фази комплексну функцію амплітуди хвилі випромінювання представляли у вигляді , де –логарифм дійсної амплітуди. Якщо перетворити вираз квазіоптики для однорідного середовища при відсутності змін коефіцієнта переломлення (), то воно прийме вигляд . Підстановка і диференціювання виразів показує, що поперечний градієнт фази і швидкість його зміни φ прямо залежать від градієнта логарифма амплітуди . Отже, плавність фазової функції можлива тільки у випадку малого градієнта логарифма амплітуди. Ці умови не виконуються для потужних лазерів, тому визначення розподілу або потужності енергії по перетину пучка інтенсивного лазера стає самостійною задачею.
Якщо припустити систематичні погрішності перетворення кута нахилу хвильового фронту скомпенсованими, то дійсне значення фази буде відрізнятися від виміряного градієнта на величину шуму . При адитивній моделі найкращою оцінкою вважали таку функцію , для якої інтеграл від квадрата різниці між оцінкою й вимірюваним градієнтом мінімальний. Відновлення поля здійснювали, розв’язуючи рівняння Пуассона .
При використанні розроблених квадрантних приймачів, градієнти по координатах вимірювали в одній точці –центрі квадрантної сітки. Крок розташування приймачів прийняти таким, що дорівнює одиниці, а значення градієнтів визначали, виходячи із значень фаз у чотирьох найближчих кутах:
Якщо замість виразів і підставити виміряні значення відхилення фази, одержимо фізичну реалізацію рішення системи лінійних рівнянь. Оскільки відновлення фази відноситься до зворотних задач, які при наявності стохастичної складової некоректні, то задача розв’язувалася при представленні вибірок фаз у матричній формі, коли похідні визначаються через значення фаз у вузлових точках апроксимацією першого порядку , де h –крок вибірки. Якщо , то . Більш високий порядок апроксимації необґрунтований через значний вплив стохастичної складової сигналу.
Оскільки матричне представлення фазових вибірок потребує рішення системи рівнянь, що зв’язано з часовими витратами, був розроблений аналоговий процесор на операційних підсилювачах і сітковій резистивній моделі. Вузли сітки з’єднували з виходами розроблених датчиків нахилу хвильового фронту і у реальному часі (затримка не перевищував 5 мкс) формували модель хвильового фронту відбитого сигналу. Крім високої швидкодії, таке рішення дозволило здійснювати сканування аналізованого поля для пошуку об’єкта за рахунок модуляції фазового фронту по координатах.
Формування вихідного фронту. Швидкість реагування управляючої інформаційної системи напряму залежить від часу формування сполученої хвилі коректором хвильового фронту. Задача ускладнюється значною вихідною потужністю випромінюваного пучка і неможливістю опису форми вихідного випромінювання плоскою або сферичною хвилею. Це призвело до необхідності розгляду фази хвилі на виході коректора у вигляді адитивної моделі , яка включає корекцію фази випромінювача і каналу атмосферної турбулентності. Значна вихідна потужність випромінювання не дозволяє встановити на його шляху датчики хвильового фронту, оскільки вони не витримують таке теплове навантаження і, до того ж, спотворюють хвильовий фронт.
Рішенням задачі виявилося визначення нахилів хвильового фронту на внутрішньому і зовнішньому діаметрах зовнішнього дзеркала телескопа Кассегрена за допомогою розроблених датчиків і визначення проміжних значень нахилу хвильового фронту по поверхні зовнішнього дзеркала. Аналіз варіацій фази в системі координат x, y, виконаний із нехтуванням поглинання випромінювання у вікні прозорості при поширенні його в напрямку координати z, приводить до рівняння Лапласа . Оскільки його рішенням є гармонійна функція, для визначення фази усередині площі зовнішнього дзеркала за обмірюваним значенням на його зовнішній і внутрішній окружностях була використана інтерполяційна формула Пуассона.
Якщо –функція, визначена в області R, то інтерполяційна формула в цій області набуває вигляду . Тут –функція Гріна для рівняння Лапласа в області для умов Діріхле, –похідна до нормалі по контуру в напрямку від області , –елемент дуги уздовж . Функція є інтерполяцією фази вихідної хвилі випромінювача, обмірюваної щодо ідеального сферичного хвильового фронту φ, визначеного за значеннями на краю апертури. При використанні управління, що працює за принципом неузгодженості, залишкова фазова помилка складе .
Рівняння Лапласа розв’язували методом сіток, який заснований на заміні похідних відповідними відносинами скінченних різниць:
. (4)
При перевірці за допомогою пакета MathCAD виявилося, що лінії, розташовані на карті еквіпотенціальних рівнів, негладкі. Злами в лініях рівних потенціалів свідчать про наявність розривів похідної функції . Оскільки функція , що задовольняє рівнянню Лапласа, є гармонійною, для усунення дефекту знаходили чисельне рішення з меншим кроком, що призвело до різкого збільшення часу обробки і для систем реального часу виявилося неприйнятним. Був обраний метод релаксацій з наступною сплайн-інтерполяцією, який показав набагато кращі результати, тим більше що вигини коригувального дзеркала добре описуються сплайнами.
Рішення інтерполяційної задачі для коректора з кільцевою апертурою показало, що погрішність визначення фази в будь-якій точці дзеркала не перевищує 1,5 —,0 % і знаходиться на рівні стохастичної складової сигналу.
Розпаралелювання обчислень зворотних матриць. Особливості перетворення інформації для коректора хвильового фронту полягають ще й у тому, що вигини дзеркала не є незалежними щодо точок прикладення зусиль, тобто деформація дзеркала одним приводом викликає зміну форми й у зонах впливу інших приводів. Статичний стан дзеркала звичайно описують матрицею піддатливості F, що визначає зсув Δ у кожній точці при дії одиничної сили P і для визначення системи сил матрицю необхідно звернути. Функції відгуку дзеркал вибирали таким чином, щоб вплив перехресних зв’язків був мінімальним і при цьому досягалася максимальна швидкодія приводу. Вплив приводів компенсується при управлінні в перетворених координатах: , де –зворотна матриця піддатливості гнучкого дзеркала; N –кількість приводів гнучкого дзеркала; С –вектор вихідних впливів.
Обчислення зворотної матриці представляє досить трудомістку процедуру, тому було вирішене питання розпаралелювання операцій. За визначенням добуток матриці на зворотну їй дорівнює одиничній матриці. Оскільки рівність матриць можлива тоді і тільки тоді, коли відповідно дорівнюють один одному їхні елементи, то, справедливі наступні системи лінійних рівнянь:
;
; (5)
.
Або в загальному вигляді:
. (6)
Звідси випливає, що обернення матриці зводиться до розв’язання N систем з N рівнянь. Для k = 1, 2, ..., N, узагальнюючи схему побудов, знаходимо:
, (7)
де bmn –початкова матриця.
Розглянемо праву частину цих рівнянь не в якості вектора з нулів і одиниць, а в якості вектор-функції d(m, k) індексів m і k в загальному значенні:
(8)
В свою чергу, з цього випливає, що, використовуючи будь-яку схему рішення систем лінійних рівнянь в якості методу побудови вектор-функції x(n, k), можна одержати узагальнене рішення задачі обернення матриці.
Розглянемо реалізацію сформульованого підходу:
; (9)
Послідовно підставляючи k = 1, 2, 3, одержимо вирази для векторів-стовпців зворотної матриці:
. (10)
Оскільки в пропонованій схемі побудови зворотної матриці замість рішення N систем для x(n, k) визначається одне узагальнене рішення, швидкість обробки інформації збільшується приблизно в N раз.
Для управління гнучким дзеркалом розроблено гідравлічний п’єзоелектричний привод, який забезпечує великий діапазон переміщень при порівняно невеликій живлячий напрузі, а також програмний продукт, що дозволяє розраховувати форму дзеркала при подачі керуючих сигналів з врахуванням мінімізації взаємного впливу приводів.
Методи перетворення інформації. Розроблено метод перетворення інформації, одержуваної від багатоелементних приймачів інфрачервоного випромінювання, який дозволяє збільшити кількість виведених на індикацію сигналів від чуттєвих елементів у два рази по кожній координаті в порівнянні з кількістю чуттєвих елементів приймача. Це досягається шляхом синхронного зі зчитуванням напівкадрів зміщення матриці фокальної площини (або торців світловодів матриці) по діагоналі на половину кроку вибірки, при цьому проміжні значення по обох координатах визначаються інтерполяцією. Перетворення виконується за конвеєрним принципом з затримкою видачі зображення на монітор на один напівкадр і не менш, ніж три рядки.
Розроблено метод перетворення інформації від багатоканального інфрачервоного приймача випромінювання, який дозволяє в реальному часі виявляти область розташування енерговипромінюючого об’єкта і виформовувати інформативне поле обробки і полягає в тому, що багатоелементна матриця чуттєвих елементів розглядається як квадрантний приймач (рис. 7), чуттєві елементи квадрантів якого утворені аналоговим підсумовуванням сигналів елементів, що входять у квадрант. При влученні зображення в центр квадрантного приймача, вихідний диференціальний сигнал протилежних квадрантів віднімається і результуючий сигнал стає рівним нулю. При зсуві в будь-який бік від центра матриці змінюється розбаланс сигналів перекриття квадрантів, що і служить інформацією про розташування центра зображення, навколо якого формується поле зчитування.
Рис. 7. Стискування поля огляду
Розроблено диференціальний алгоритм стискування зображень, орієнтований на роботу з ВМР файлом, призначений для обробки багатоградаційних зображень з неоднорідним фоном. Фонове зображення зберігається, а стискування відбувається за рахунок виділення частини зображення, що змінюється. Виділяється область зміни, яка дозволяє здійснювати спостереження за об’єктом, який переміщається, прогнозування його положення в наступні моменти часу, що знижує імовірність втрати об’єкта з відомими динамічними властивостями. Алгоритм не знижує якості зображення, оскільки стискування відбувається за рахунок того, що інформацією, яка не представляє інтересу для розв’язуваної задачі, нехтують.
У задачах пошуку, виявлення і супроводження об’єктів, при попередній обробці зображень, важлива незалежність результатів від напрямку підходу до об’єкта, що означає ізотропність частотної характеристики. Використовувана при цифровій обробці зображень матрична вибірка має спектральну область прямокутної форми, отже, істотно анізотропна. При розробці багатоканального піроелектричного приймача інфрачервоного випромінювання з волоконним вводом з’явилася можливість довільного розташування торців волокон у фокальній площині. Порівняльний аналіз прямокутного і діагонального розташування волокон показав, що при діагональному розташуванні круглих волокон у прийомному вікні матриці щільність заповнення фокальної площини збільшується з 0,785 до 0,923. Звідси випливає, що для симетричних сигналів із круговою спектральною областю даний тип дискретизації більш наближений до оптимального по щільності вибірок, однак при цьому елементи послідовних рядків матриці виявляються зрушеними на половину кроку горизонтального розташування волокон. За умови узгодження просторової частоти зображення з кроком розташування волокон верхня гранична частота пропускання при симетричній діагональній укладці в 1,17 разів вище, ніж при квадратній. Отже, максимальний об’єм інформації, який може бути переданий крізь одиницю площі вхідної апертури, збільшується приблизно на 30 %. Спектр просторових частот при симетричній діагональній укладці має вигляд рівностороннього шестикутника.
Якщо при прямокутній дискретизації зображення вибірки беруться з періодом , то при гексагональній, відповідно, –, де Θ –радіус кругової спектральної області. При розташуванні шестикутної спектральної області симетрично щодо центра частотних координат , має місце співвідношення . Звідси випливає, що для задач, у яких важлива симетрія спектральної області, діагональне розташування переважніше. Аналіз гексагонального дискретного перетворення Фур’є показує, що в кожному періоді воно потребує на 25 % меншого обсягу пам’яті та обчислень. Розроблено фільтри з імпульсною характеристикою скінченної тривалості, базисні функції в якій обрані у вигляді косинусних компонентів з періодом, визначеним для гексагонального представлення. Аналіз отриманих результатів показав, що вони дозволяють заощаджувати до 45 % машинного часу в порівнянні з прямокутними фільтрами з аналогічними характеристиками.
У системах реального часу виникає задача передачі інформації від джерел через канал зв’язку з обмеженою пропускною здатністю. Оскільки принцип буферизації в даному випадку неприйнятний, задача була розв’язана попередньою обробкою повідомлень та їх класифікацією на момент передачі за інформативністю. Крізь канал зв’язку, який здатний пропустити k повідомлень, пропускалося k –повідомлення найбільш активних джерел і одне повідомлення від джерела, що найрідше попадав у канал. Використання двох критеріїв добору джерел дозволило вирішити проблему передачі на прийомну сторону повідомлень від усіх джерел крізь канал з обмеженою пропускною здатністю і відновити всі повідомлення.
Запропоновані гістограмні та анізотропні методи фільтрації, які забезпечують обробку зображень стосовно до потреб оператора, що здійснює спостереження за об’єктами й аналіз зображень для навчання системи прийняття рішень. Показано ефективність нелінійних анізотропних алгоритмів для зображень з низьким контрастом.
В четвертому розділі описані розробка і впровадження засобів перетворення інформації для побудови систем управління високоенергетичними процесами, що працюють в умовах, коли щільність потужності сприйманого випромінювання близька до рівня фазового переходу матеріалу, що опромінюється.
Управління високоенергетичними процесами потребує не тільки наявності ефективних алгоритмів стискування зображень і методів обробки інформації, але й одержання інформації про реальний розподіл щільності потужності по перетину пучка випромінювання, нахилах хвильового фронту вихідного і відбитого потоків. Ця інформація необхідна в реальному часі процесу управління, а складність її одержання зв’язана зі значними енергіями випромінювань, що призводять до теплового руйнування приймачів.
Підвищення енергостійкості приймачів випромінювань. Задача створення засобів перетворення інтенсивних інфрачервоних потоків випромінювання розв’язувалася за допомогою піроелектричних кристалів метаніобата літію, головними достоїнствами яких є лінійність і стабільність передатної характеристики і відсутність необхідності криогенного охолодження. Піроелектричний кристал зберігає свою працездатність до точки Кюрі (1240 оС).
Для рішення проблеми енергостійкості піроелектричних приймачів запропоновано метод зменшення температурної навантаженості кристалів. Він полягає в тому, що прийомні електроди виконані з відбиваючого в інфрачервоному діапазоні спектра матеріалу, наприклад алюмінію або золота. Коефіцієнти поглинання металів у діапазоні 10,6 мкм складають 2 –%, отже, верхній діапазон вимірювань зріс в 25 –разів. Експериментальні дослідження підтвердили працездатність пристроїв до щільності потоку 100 КВт/см. Подальше підвищення потужності призводило до виходу з ладу деяких виробів. З метою з’ясування причин теплового пробою проведені мікроскопічні дослідження прийомного електрода, які показали наявність неоднорідностей у вигляді крапель металу, що осаджується при напилюванні, і окремих лусочок. Розглянуто теплову модель прийомного електрода в припущенні, що поверхня електрода абсолютно гладка, а краплі металу мають кулясту форму.
У такому представленні краплини є акумуляторами теплоти, накопичення енергії в яких відбувається за рахунок енергії лазерного імпульсу, а стік тепла –шляхом теплопередачі крізь поверхню зтикання краплі з підкладкою. Такий ідеалізований акумулятор накопичує енергію імпульсного лазерного випромінювання, у той час як підкладка працює як напівнескінченний стрижень, відновлюючи свій стан до початку надходження наступного імпульсу. Принципово важливим є факт селективного теплового впливу на підкладку і неоднорідності напилювання. Аналіз процесу взаємодії інтенсивного лазерного випромінювання з неоднаково зануреними неоднорідностями дозволив запропонувати метод обробки прийомних електродів для підвищення енергостійкості шляхом попереднього опромінення імпульсним потоком заданої експозиції, що забезпечило дворазове підвищення верхньої межі сприйманого випромінювання.
На граничні характеристики інфрачервоних приймачів інтенсивного когерентного імпульсного випромінювання впливає явище дифракції на елементах захисної діафрагми. Дифракційна складова вхідного потоку, потрапляючи на місця технологічного кріплення кристала або траверс знімання сигналу, може викликати або їхнє випарювання, або руйнування кристала. Математичне моделювання з представленням джерела функцією Гріна , де r –геометричний шлях від діафрагми до приймача, дозволило врахувати дану можливість і зробити відповідні конструктивні доробки шляхом встановлення відбиваючих екранів та виготовлення країв діафрагми складної форми, що забезпечує гладкість функції розподілення потоку на приймаючому електроді та знижує можливість негативного результату.
Створені матричні і лінійні координатно-чуттєві піроелектричні приймачі випромінювання для дослідження розподілу потужності та енергії по поперечному перерізу пучка інтенсивного теплового випромінювання. Дослідження дозволили більш ніж на порядок підвищити енергостійкість засобів одержання інформації для управління високоенергетичними процесами.
Багатоканальна обробка інформації. Для дослідження відбитого від об’єкта сигналу розроблена багатоелементна піроелектрична матриця з волоконним введенням інформації і незалежними каналами обробки вихідного сигналу. Особливістю приймачів інфрачервоного випромінювання є розтікання теплового потоку по монокристалу підкладки, що призводить до спотворень переробляємої інформації. Для висококонтрастного розподілу лазерного випромінювання це особливо актуально. При розробці багатоелементного неохолоджуваного приймача інфрачервоного відбитого випромінювання дана проблема була вирішена шляхом побудови багатоканального приймача з незалежним зчитуванням інформації і волоконним введенням випромінювання, вхідний торець якого розташовували у фокальній площині. Незалежне звертання до каналів дозволило здійснювати як паралельну обробку інформації з метою прискорення процесу обробки повідомлень, так і використовувати розроблені необоротні методи стискування інформації.
В п'ятому розділі розглянуті проблеми практичного застосування розроблених інформаційних технологій та пристроїв обробки інформації для високоенергетичних об’єктів та медичних застосувань.
Пристрої обробки інформації. Розроблені і впроваджені пристрої, у яких реалізовані розроблені методи перетворення інформаційних потоків.
Розроблено спеціалізований пристрій обробки зображень високотемпературних полів, одержуваних при взаємодії плазмових потоків з теплозахисними матеріалами. Пристрій містить дисекторну камеру, оптоволоконний канал зв’язку, цифрову систему обробку зображень. Вибір дисектора обумовлений великим динамічним діапазоном –від одиниць фотонів до 10000 лк, практично відсутністю інерційності, лінійністю характеристики світло/сигнал. Щілинна апертура 0,02 Ч 0,1 мм при діаметрі фотокатода 35 мм дозволила виділити центральну частину прийомного електрода з мінімальними спотворюючими властивостями і одержати розрізнення більш 2000 ліній за напрямком переміщення об’єкта. Цифрове розгорнення з розмірністю 1024 Ч 1024 з довільним доступом дозволило реалізувати вибірку поля огляду за довільним законом. Семантична обробка інформації, полягала в пошуку і розпізнаванні в реальному часі досліджуваного процесу інформативної (для даної задачі) частини зображення, формуванні в околиці цієї області вікна захоплення і зчитування даних тільки з області вікна (причому може зчитуватися не вся інформація у вікні). Одночасно екстраполяцією визначалося ймовірне положення наступного вікна і його форма. Таким чином, вікно переміщувалося в залежності від характеру руйнування поверхні, створюючи нову область зняття інформації. При втраті об’єкта інформаційне вікно розширюється, збільшуючи поле огляду.
Семантичне стискування інформації дозволило зменшити об’єми переданої в комп’ютер інформації приблизно в 100 разів практично без втрат корисної інформації, що для дослідження швидкоплинних процесів вкрай важливо. Додаткова обробка зображення в інформаційному вікні забезпечила зменшення об’ємів переданих даних ще на порядок, а отримана швидкість дозволила ввести зворотні зв’язки на процес обдування, перетворивши пристрій, що реєструє, у керуючу систему. Випробування показали, що різниця температурних вимірів не перевищує 2 %, що для динамічних процесів у діапазоні 2000 –оС є дуже добрим показником, тим більше що локальне поле зчитування інформації відрізняється. Швидкість одержання кінцевих даних виросла на 3 –порядки. Основним результатом створення даної установки з’явилося підтвердження гіпотези щодо стискування зображень у реальному часі процесу і відпрацьовуванню алгоритмів стискування. Використання розробленого методу стискування зображень при аналізі процесів горіння часток сумішевих палив показало, що коефіцієнт стискування досягає 1000 і більше.
Розроблено установку для дослідження можливості розпізнавання інфрачервоних зображень у вологій атмосфері. Модель поширення потоку у фазосполученій системі заснована на нехтуванні ефектами дифракційного розсіювання на частках і зміні амплітуди при проходженні випромінювання крізь атмосферний канал. Оскільки в атмосфері присутня волога, що поглинає інфрачервоне випромінювання, що позначається на контрастних характеристиках зображення і вірогідності розпізнавання аналізованих процесів, були проведені експериментальні дослідження коефіцієнта поглинання каналу передачі випромінювання у вікнах прозорості 3,5 –мкм і 8 –мкм. В якості об’єкта використовувалася мішень, що складалася з 16 прямокутників, розташованих на термостабілізованій платформі з рівномірним фоновим випромінюванням. Температура прямокутників встановлювалася на 10 і 50 оС вище рівня дна платформи, що дозволяло одержувати зображення високого і низького контрастів.
Дослідження інфрачервоних зображень дозволили зробити висновок про проблематичність розпізнавання об’єктів на відстанях 3,5 –,0 км, оскільки температурний контраст падає до 1,0 –,1 оС, а мова може йти лише про виявлення енерговипромінюючих об’єктів.
З метою відпрацьовування алгоритмів управління гнучким дзеркалом і дослідження реального розподілу потужності вихідного випромінювання по перетину інтенсивного джерела на базі розроблених матричних і лінійних приймачів випромінювання створена експериментальна установка. Імпульсне випромінювання, потрапляючи в телескоп з керованим дзеркалом, направляється на піроелектричну матрицю, яка вимірює інтенсивності випромінювання по полю огляду. Прийомна матриця набирається з розроблених восьмиелементних лінійок піроелектричних приймачів, що працюють у лінійному режимі або чотирьохелементних матриць. Ширина лінійки і крок розміщення піроелектричних приймачів збігаються, що забезпечує можливість набору матричного приймача випромінювання заданої конфігурації. Матриця з 8 лінійок містить 64 приймача випромінювання з рівномірним кроком по координатах.
Для випробувань використовувалася збірна матриця з 32 лінійок (256 каналів) або 128 лінійок (1024 каналу). Оскільки матриця з незалежними прийомними елементами призначалася для реєстрації імпульсного випромінювання, розроблені в мікроелектронному тонкоплівковому гібридному виконанні схеми запам’ятовування і збереження вихідної інформації, що забезпечують збереження аналогових сигналів з погрішністю, яка не перевищує 0,1 % за період зчитування даних у комп’ютер. Дослідження дозволили одержати дані про розподіл потужності по перетину лазерного пучка безпосередньо після телескопа, при введенні тестової оптичної неоднорідності при проходженні крізь атмосферний канал з турбулентною неоднорідністю, визначити час “замороженості”атмосферного каналу, ефективність системи фокусування за допомогою керованих дзеркал і алгоритмів управління приводами дзеркал. Зокрема було встановлено, що час стабільності атмосферного каналу коливається в діапазоні 5 –мс, а “провали”просторової потужності випромінювання по перетину пучка СО-лазера перевищують 60 %, причому неоднорідність амплітудної характеристики залежить від потужності, тривалості імпульсів та їх скважності.
Медичні застосування інформаційних технологій. У практику лікування захворювань суглобів упроваджені метод і пристрій інфрачервоної пелоідотерапії, призначені для лікування опорно-рухового апарата. Він полягає в генеруванні керованого інфрачервоного поля різного спектрального складу, що має різну глибину проникнення в тіло. Поля заданої конфігурації і спектральний склад реалізують різні методики лікування.
Розроблено алгоритми цифрової фільтрації зображень біопсійних зрізів тканини для онкологічних досліджень. Показано, що використання анізотропної фільтрації дозволяє більш впевнено виділити зони передбачуваних змін структури тканини, забезпечуючи тим самим поліпшення якості постановки діагнозу на ранніх стадіях захворювання.
Найбільш прогресивні технології діагностування ішемічної хвороби засновані на введенні в судини серця рентгеноконтрастної речовини і аналізу за рентгенівськими зображеннями ступеня перекриття кровотечі. Лікування полягає у введенні в уражену зону металевого стента, що розширює зону перекриття. Обробка зображень у реальному часі проведення хірургічного втручання є необхідною функцією, оскільки без одержання об’єктивної й оперативної інформації проведення коронарного стентування неможливо. Рентгенівські зображення судин малоконтрастні, рухливі, знаходяться на складному фоні, і їхня обробка сполучена зі значними труднощами. У рамках цієї задачі здійснено виведення інформації з ангиографа до комп’ютера, розроблені алгоритми і програмні продукти, які забезпечують зниження впливу фонової складової і нерівномірності коефіцієнтів пропускання випромінювання різними ділянками тіла, що підвищують контраст виділених ділянок зображень судин, вимірювання їхнього діаметра для підбора відповідного стента.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
У дисертації представлені обґрунтування і рішення наукової проблеми –створення наукових основ перетворення інформації в реальному часі управління високоенергетичними процесами системою, пропускна здатність якої не забезпечує переробки всього об’єму інформації, що надходить. Важливість розв’язуваної проблеми обумовлена тим, що системи дистанційного управління швидкоплинними процесами, інформація про стан яких може бути отримана тільки у вигляді зображень, не можуть сучасними послідовними цифровими методами забезпечити повну переробку інформації, що надходить паралельно і з максимально досяжною в природі швидкістю. Отримані таки результати.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.06 –Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. –Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2004.
Дисертація присвячена підвищенню ефективності дистанційного управління високоенергетичними процесами, інформація про стан яких надходить у вигляді спотворених каналом передачі зображень, шляхом розробки і впровадження адаптованої до особливостей об’єкта управління автоматизованої системи перетворення інформаційних потоків. Запропонована керуюча інформаційна система прийняття рішень для управління високоенергетичними процесами. Обґрунтована можливість формування керуючих впливів системою, пропускна здатність якої менше потоку переданої інформації. Розроблені швидкодіючі методи стискування інформації, представленої у вигляді зображень. Розроблені методи моделювання випромененого і відбитого від об’єкта хвильових фронтів імпульсного електромагнітного випромінювання. Удосконалені базові алгоритми фільтрації зображень стосовно до систем обробки інформації реального часу. Розроблені інструментальні засоби визначення розподілу енергії інтенсивних імпульсних потоків теплового випромінювання в діапазоні енергій руйнування конструкційних матеріалів.
Ключові слова: управління в реальному часі, інформаційний потік, обробка зображень, високоенергетичний процес.
Meshcherjakov V.I. The automated system of information streams transformation for highenergy processes control. –Manuscript.
The dissertation seeking scientific degree of the doctor of technical science in specialty 05.13.06 – Automatic control systems and progressive information technologies. –Odessa national polytechnic university, Odessa, 2004.
The dissertation is devoted to increase of remote control efficiency of highenergy processes, the information on which condition acts as deformed by the channel of transfer of images, by development and introduction adapted to features of object of the automated control system of information streams transformation. Managing information system of acceptance of decisions for control high processes offer energy. The opportunity of managing influences formation is proved by system which throughput is less than stream of the transferred information. High-speed methods of the information compression submitted as images are developed. Methods of the wave fronts of pulse electromagnetic radiation modeling radiated and reflected from object are developed. Base algorithms of a filtration of images concerning systems of processing of the real time information are advanced. Tool means of energy definition distribution of intensive pulse streams of thermal radiation in a range energy destruction of constructional materials are developed.
Key words: real time control, an information stream, processing of images, highenergy process.
Мещеряков В.И. Автоматизированная система преобразования информационных потоков для управления высокоэнергетичными процессами. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.06 –Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. –Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2004.
Диссертация посвящена повышению эффективности дистанционного управления высокоэнергетическими процессами, информация о состоянии которых поступает в виде искаженных каналом передачи изображений, путем разработки и внедрения адаптированной к особенностям объекта управления автоматизированной системы преобразования информационных потоков. Предложена управляющая информационная система принятия решений для управления высокоэнергетическими процессами. Обоснована возможность формирования управляющих воздействий системой, пропускная способность которой меньше потока переданной информации. Разработаны быстродействующие методы сжатия информации, представленной в виде изображений. Разработаны методы моделирования излученного и отраженного от объекта волновых фронтов импульсного электромагнитного излучения. Усовершенствованы базовые алгоритмы фильтрации изображений относительно систем обработки информации реального времени. Разработаны инструментальные средства определения распределения энергии интенсивных импульсных потоков теплового излучения в диапазоне энергий разрушения конструкционных материалов. Подтверждена практическая эффективность предложенных методов преобразования информации.
Объектом исследования являются процессы передачи и переработки информации в автоматизированных системах дистанционного управления. Предметом исследования являются информационные системы реального времени применительно к дистанционному управлению высокоэнергетическими процессами.
Научная новизна полученных результатов состоит в создании теоретических и методологических основ повышения эффективности преобразования информации в реальном времени управления высокоэнергетическими процессами. Установлено, что управляющая информационная система с пропускной способностью, меньшей потока входящей информации, может обеспечить управление объектом. Разработан метод сжатия изображений в реальном времени процесса управления, состоящий в распознавании информативных признаков предварительно упрощенного изображения и последующей обработке информативных зон. Разработан метод обработки изображений, состоящий в сегментации изображения на конечное количество классов и дальнейшее оперирования с признаками (маркерами) класса, несущими в себе информацию об объекте, хранящуюся в базе знаний системы. Обосновано, что пропускная способность канала преобразования не может быть меньше разницы информационной емкости преобразуемого изображения и емкости базы знаний. Получили дальнейшее развитие быстродействующие алгоритмы обработки информационных массивов, заключающиеся в распараллеливании вычислений обратных матриц и определении контуров изображений; методы изотропной обработки первичных изображений для повышения надежности и достоверности определения информационных признаков путем повышения симметричности спектральной характеристики за счет диагонального размещения чувствительных элементов в фокальной плоскости; метод параллельной контурной обработки изображений анизотропными корреляционными фильтрами, состоящее в расположении преобразователей под различными углами к преобразуемому изображению; моделирование способов коррекции амплитудных искажений профиля пучка излучения, заключающееся в учете фазовых искажений волнового фронта излучателя; инструментальные средства обработки первичной информации матричных приемников излучения, состоящее в управлении диагональным перемещением матрицы на половину шага расположения чувствительных элементов синхронно с частотой смены полукадров с интерполяционным формированием промежуточных данных; моделирование специфических краевых эффектов при прохождении интенсивных лазерных потоков через диафрагмы, отличающееся от известных представлением источника излучения экспоненциальной функцией Грина; методы моделирования волнового фронта интенсивного излучения с интерполяцией по формуле Пуассона и использованием экспериментальных значений продуцируемых системой информационных признаков наклона волнового фронта на срезе апертуры корректора; алгоритмы сжатия изображений в системах диагностики со сложным фоном, заключающееся в обработке только изменяющихся информационных фрагментов. Разработана модель взаимодействия интенсивного лазерного излучения с приемным электродом и инструментальные средства, учитывающие неоднородности поверхностного слоя.
Методы компрессии и фильтрации изображений в реальном времени использованы в ЦНИИМаш при разработке и внедрении АСУ процессами взаимодействия газовых потоков с теплозащитными материалами.
Предложенные методы обработки информации позволили НИИ “ШТОРМ”разработать конструкторскую документацию (литера О) на пироэлектрические преобразователи и измерители волнового фронта и создать системы управления пространственно-временными характеристиками интенсивного инфракрасного излучения. Разработанные информационные методы преобразования изображений использованы НИИПМ в автоматическом дешифраторе кинограмм процессов горения.
Система медицинской диагностики, использующая разработанные методы преобразования информации и управления инфракрасными потоками, внедрена в НИИ Курортологии. В МК “ИНТО-САНА”разработана система обработки рентгеновских изображений в реальном времени проведения коронарографии и коронарного стентирования при хирургическом вмешательстве на сердце.
Ключевые слова: управление в реальном времени, информационный поток, обработка изображений, высокоэнергетический процесс.