Автоматизация проектирования зеркальных систем управления положением изображения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Хмельщиков, Юрий Владимирович

• Хмельщиков, Юрий Владимирович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хмельщиков, Юрий Владимирович

Введение

ОГЛАВЛЕНИЕ

Глава 1. Обзор средств и методов стабилизации изображения в оптических 8 приборах.

1.1. Стабилизация ПРИ относительно заданного направления.

1.2. Демпфирование корпуса ПРИ.

1.3. Устройства стабилизации изображения в ПРИ.

1.3.1. Системы стабилизации изображения (ССИ) с оптическими клиньями.

1.3.2. ССИ с плоскими зеркалами.

1.3.3. Призменные системы стабилизации

1.3.4. Устройства стабилизации с помощью компонентов объективов

1.3.5. Устройства стабилизации с волоконно-оптическими элементами.

1.3.6. Стабилизация изображения посредством механического перемещения 19 приемника изображения.

1.3.7. Электронная стабилизация изображения.

1.3.8. Стабилизация изображения при помощи аппарата зрения человека.

1.4. Системы контроля смещения изображения

1.5. Использование систем плоских зеркал в различных классах приборов.

1.6. Возможности автоматизации проектирования систем стабилизации 26 изображения.

1.7. Выводы

Глава 2. Автоматизация проектирования зеркальных систем управления 30 положением изображения.

2.1. Построение модели динамической оптической системы

2.1.1. Требования к системе визуализации.

2.1.2. Структура алгоритма ВМ.

2.2. Построение различных типов математических моделей на основе 44 базового алгоритма.

2.2.1. Статическое моделирование.

2.2.2. Динамическое моделирование.

2.2.3. Динамическое моделирование в режиме стабилизации

2.3. Выводы

Глава 3. Синтез зеркальных систем управления положением изображения.

3.2. Построение основных типов ЗССПИ 57 3.2.1 Общая структура ЗССПИ

3.2.2. Одноосные ЗССПИ

3.2.3. Двухосные ЗССПИ 69 3.2.3.1. Исследование двухосной системы стабилизации

3.3. Синтез системы имитации колебаний изображения регистрирующего устройства.

3.4. Выводы

Глава 4. Определение оптимальных параметров систем визуализации.

4.1. Различение малоразмерных объектов.

4.2. Различение текстур.

4.3. Визуализация динамических объектов.

4.4. Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Автоматизация проектирования зеркальных систем управления положением изображения»

Аппаратурные методы непрерывного отображения изображений в сложных динамических условиях требуемого качества с использованием различных способов регистрации - зрительного анализатора человека, фотослоев, координатно-чувствительных фотоприемников, динамических транспарантов и др. связаны с проблемой стабилизации изображения в плоскости их регистрации.

На первых этапах развития кинематографии в начале нашего века указанная проблема решалась, в основном, с помощью различного вида механических устройств, например, в виде маятниковых подвесов. Однако, с развитием киносъемки и с появлением новых средств регистрации изображений требования к системам стабилизации существенно повысились.

С середины XX века аналогичная проблема возникла и в других областях науки и техники, в основном, связанных с автоматизацией производства и оборонной техники. Наряду с традиционными методами стабилизации изображений в этих отраслях промышленности в указанный период стали широко применяться для решения этой задачи гироскопические системы, построенные на различных принципах.

Использование этих методов в современной кино- видеоаппаратуре и др. позволило существенно улучшить качество воспроизводимых изображений, при их непрерывной регистрации и дальнейшим адекватным его восприятием зрительным анализатором человека. Эти особенности реализовывались за счет пространственной стабилизации положения аппаратуры при съемках с подвижного основания и, соответственно, изображений в плоскости их регистрации.

В настоящее время системами стабилизации изображения оснащен широкий круг оптических приборов различного назначения, к числу которых, кроме указанных, относятся различные системы наблюдения, наведения, прицелы и др. В этих приборах в качестве компенсаторов смещений изображения использованы различные компоненты.

Анализ методов построения систем стабилизации этих приборов показал, что в каждом классе приборов они были рассчитаны применительно к различным оптическим системам приборов с применением в качестве компенсаторов различных оптических элементов. При этом установлено, что отсутствует единая методика проектирования систем стабилизации изображения в плоскости регистрации.

В процессе развития техники съемок в последнее время появилась новая задача обратного плана - создавать произвольные колебания изображения при отсутствии пространственного перемещения регистрирующей аппаратуры.

Бурное развитие приборной техники, способной регистрировать подвижные изображения ставит задачу создания единых методик проектирования систем стабилизации изображения. Решение указанных задач в аналитическом виде проблематично. С развитием вычислительной техники становится возможным осуществить данную задачу с высокой степенью приближения математической модели к реальному прибору. Математическое моделирование работы оптических элементов систем управления положением изображения с использованием ЭВМ целесообразно на начальном этапе проектирования описанных приборов. Исходя из вышеизложенного можно считать, что указанные задачи весьма актуальны.

Целью настоящей работы является создание математических моделей, позволяющих выбирать рациональные параметры и режимы работы оптических элементов, управляющих положением изображения. Результаты анализа моделирования должны послужить основой создания методов

1. В результате анализа различных классов систем стабилизации установлена целесообразность использования системы плоских подвижных зеркал для создания универсальных ЗССПИ.

2. Разработана универсальная библиотека алгоритмов для расчета динамических оптических систем.

3. Разработана система моделирования различных классов ЗССПИ, использующая программно-аппаратный комплекс.

4. Результаты исследований основных типов ЗССПИ, вычисленные погрешности стабилизации в существующей двухосной ЗССПИ и предложенные методы устранения данных погрешностей.

5. Предложенная и исследованная в работе система имитации колебаний подвижного основания.

6. Результаты исследования телевизионной системы отображения информации, использованной в разработанных системах моделирования и определенные в работе оптимальные параметры системы отображения для адекватного восприятия графической информации зрительным анализатором человека.

Реализация предложенных методов моделирования ЗССПИ была осуществлена на действующей универсальной двухосной системе стабилизации изображения ОС2-50 и заключалась в практическом применении разработанной системы моделирования при исследовании погрешностей стабилизации и для решения задач устранения сдвига изображения в вертикальной плоскости указанной установки путем дополнительного поворота зеркала. Внедрена также разработанная система создания искусственных движений изображения. Разработанное программное обеспечение совместно с комплексом моделирования используется в научно-производственном центре "Наутэк-холдинг" для проектирования систем стабилизации. Указанные разработки подтверждены актом о внедрении.

Основные положения исследований обсуждались на семинарах кафедры прикладной оптики МИИГАиК и докладывались на конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК. проектирования рациональных конструкций зеркальных систем управления положением изображений.

Для достижения цели работы решались следующие задачи.

1. Исследование известных систем стабилизации изображения, их классификация и определение задачи исследований диссертационной работы.

2. Разработка математического программного обеспечения для систем м о делир о в ан ия.

3. Разработка аппаратного комплекса системы моделирования.

4. Исследование основных классов зеркальных систем стабилизации, моделирование различных конструктивных решений по построению универсальных зеркальных систем стабилизации изображений.

5. Моделирование и построение системы для компенсации погрешностей работы систем стабилизации.

6. Разработка зеркальной системы управления положением изображения в плоскости регистрации по заданным программам.

7. Разработка принципа визуализационного моделирования и связанных с ним особенностей воспроизведения статического и динамического изображения телевизионными системами.

8. Разработка и исследование физической модели системы стабилизации изображения.

Основными положениями, выносимыми на защиту являются:

1. Методика построения визуализационных моделей ЗССПИ.

2. Алгоритмы, используемые в разработанных моделях.

3. Методы моделирования одно- и двухосных ЗССПИ на базе разработанных алгоритмов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Хмельщиков, Юрий Владимирович

4.4. Выводы

1. Таким образом, были определены границы области применения телевизионных систем, при которых не происходит нарушения естественного впечатления при наблюдении сцены.

2. Выведены параметры систем телевизуализации изображений естественной сцены при решении оператором задачи вычленения малоразмерного объекта без его идентификации или различения одинаково освещенных объектов (с одинаковой визуально воспринимаемой яркостью), имеющих различные текстуры (угловые поля, фокусные расстояния проецирующей оптики) а также при визуализации динамической картины.

3. Допустимые параметры колебательного движения основания при заданных параметрах системы визуализации

4. Определено требуемое число элементов дискретизации монитора N, обеспечивающее просмотр углового поля телевизионной системы ©т.с без потерь разрешения /min, связанных с колебаниями основания:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа литературных источников, посвященных известным системам стабилизации изображения в ПРИ, а также современных требованиям к ним установлена перспективность универсальных, автономных зеркальных систем стабилизации и определены задачи их исследований.

2. Обоснованы принципы автоматизации проектирования зеркальных систем стабилизации и разработки математических моделей систем управления положением изображения.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс и программное обеспечение для осуществления визуализационного моделирования. Сформулированы требования к его основным элементам. При построении моделей использован принцип объектно-ориентированного программирования, позволяющий модифицировать основные блоки программы.

4. Разработаны основные варианты построения визуализационных моделей, использующих базовый алгоритм: статическая, динамические.

5. На основе разработанных математических моделей исследованы основные типы зеркальных систем стабилизации положения изображения (одноосные, двухосные), приведены возможные варианты реализации зеркальных блоков.

6. Проведен физический эксперимент на базе двухосной ЗССПИ ОС2-50. Выявлено наличие нескомпенсированного смещения изображения в режиме стабилизации вдоль вертикальной оси. С помощью разработанной системы динамического моделирования определены численные значения указанного смещения. С использованием численных методов определена полиномиальная зависимость угла, соответствующего описанному смещению изображения, от угла поворота ЗССПИ. Модернизирована схема

101

ЗССПИ с целью исключения существующей ошибки стабилизации введением дополнительного устройства в электронную схему установки.

7. Разработана и исследована установка для имитации колебаний подвижного основания, позволяющая управлять положением изображения системы регистрации по заданной программе без создания механических колебаний всей установки.

8. Определены границы области применения телевизионных систем, используемых при визуализационном моделировании, при которых не происходит нарушения адекватности восприятия исследуемого изображения. Определены параметры системы оператор-дисплей. Определены допустимые параметры колебательного движения основания при заданных параметрах системы визуализации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хмельщиков, Юрий Владимирович, 1998 год

1. Андреева Е.А., Венргилес Н.Ю., Ломов Б.Ф. Механизм элементарных движений глаз как следящая система. В кн: Моторные компоненты зрения. М„ 1975, с. 7-55.

2. Андронов A.A., Витт, A.A., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959.

3. Анитропова И.Л., Голованевский Г.Л. и др. Система эвристического синтеза оптических систем.-М.:Препринт ИПМ АН СССР, №31, 1990.

4. Апенко М.И., Дубовик A.C., Дурейко Г.В. и др. Прикладная оптика. М., Машиностроение. 1992, 480 с.

5. Астапов Ю.М., Васильев Д.В., Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука, 1988, с. 172-215.

6. Афанасьев В.А. Оптические измерения. М.: Недра, 1968, 255 с.

7. Бабаев A.A. Стабилизация оптических приборов. Л.: Машиностроение, 1975.

8. Бабенко В.А., Буравцев A.B. Антивибрационная балансирная опора для проведения киносъемок с вертолетов, "Техника кино и телевидения", 1976, №1.

9. Бартусявичус Э. Влияние сходства форм изображений на точность их узнавания: Автореф. дис. канд. биол. наук., Л., 1984 г.10. "Бинокль со стабилизированным полем зрения." Проспект Красногорского механического завода, 1997

10. Будкин В.Л., Меламед Ю.И. и др. Гиростабилизатор киноаппарата для съемки с движения. "Техника кино и телевидения", 1979, №9.

11. Булгаков Б.В. Прикладная теория гироскопов.-М.: Изд-во МГУ,1976.

12. Бычков С.И., Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И. Лазерный гироскоп. М.: Сов.радио, 1975. 425 с.

13. Вангалас В., Бальколите О., Кирвялис Д., и др. Зрительный анализатор человека как "активная" система узнавания. В кн: Биофизика зрения. Вильнюс, 1978, с. 53-71.

14. Волоконно-оптические датчики./Под ред. Т.Окоси: Л.: Энергоатомиздат, 1990 - 256 с.

15. Волосов Д.С. Фотографическая оптика. М.: "Искусство", 1978, 543с.

16. Гаврилов А.Ю. Определение пространственных характеристик качества приемников и преобразователей оптических сигналов. Доклад на 9-ой Всероссийской научно-технической конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение", М., 1992, 25 с.

17. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц.-М.: Наука, 1966.

18. Глезер В.Д., Бертулис A.B. О функциональной перестройке рецептивного поля. В кн.: Механизмы опознания зрительных образов., Л., 1967, с. 5 - 9. (Пробл. физиол. оптики; т. 14).

19. Гришин Б.С. Юстировка сложных оптических систем приборов. -М.: Машиностроение, 1976 205 с.

20. Дубовик A.C. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1984, 320 с.

21. Егоров Б.К. Устройство "Горизонт" для съемки с движения, "Техника кино и телевидения", 1979, №9

22. Елизаренко A.C., Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Оптико-электронные системы в исследованиях природных ресурсов. М.: Недра, 1984, 215 с.

23. Еськов Д.Н., Ларионов Ю.П. и др. Автоматическая стабилизация оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1988, 240 с.

24. Калабин В.Б., Бабенко В.А., Буравцев A.B. Гиростабилизирующая установка для киносъемок с движущегося основания. "Техника кино и телевидения", 1973, №5

25. Кинофототехника. Информационный сб. Вып. 3 / НИКФИ. М.,1992, с.7-20.

26. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М.: Недра, 1985, 148 с.

27. Кульчицкий H.JI. Применение гироскопов в съемочной технике. "Техника кино и телевидения", 1967, №2.

28. Леонова В.Б. Автоматизация расчетов оптических систем. М.: Машиностроение, 1970, 288 с.

29. Нисский A.B., Большунов и др. Операторское вспомогательное оборудование. Обзорная информация, М., 1981, вып.6.

30. Нефедов Б.Л. Методы решения задач по вычислительной оптике. -М.; Л.: Машиностроение, 1966. 265 с.

31. Патент Великобритании № 1374765.

32. Патент США №3004271, 7.10.68.

33. Патент США № 3014376, 4.07.69

34. Патент США № 3467350, 11.11.68

35. Патент США № 3577206, 19.04.68

36. Патент США № 3638502, 7.08.69

37. Патент США №3910693, 13.07.74

38. Патент США № 4206983, 10.06.80

39. Патент США №4260218, 7.04.81

40. Патент США №4316649, 23.02.82

41. Пельпор Д.С. Гироскопические системы ориентации и стабилизации: Справ, пособие. М.: Машиностроение, 1982. 165 с.

42. Погарев. Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник, Л.: Машиностроение, 1989, с.55-78.

43. Проспект фирмы "CANNON", 1997 г.

44. Проспект фирмы "SONY", 1996 г.

45. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. Т. 1/Пер. с .англ. М.: Мир, 1982.

46. Ривкин С.С Теория гироскопических устройств. Кн.2, Л.: Судостроение, 1964. 545 с.

47. Родионов С.А. Автоматизация проектирования оптических систем. Л.:М-е, 1982, 307 с.

48. Русинов М.М. Композиция оптических систем. Л.: Машиностроение, 1989, 383 с.

49. Слюсарев Г.Г. Методы расчета оптических систем. Л.: Машиностроение, 1969, 670 с.

50. Сокольский М.Н. Допуски и качество оптического изображения. Л.: Машиностроение, 1989, 221 с.

51. Соломатин В.А., Якушенков Ю.Г. Сравнение некоторых способов определения координат изображений, осуществляемых с помощью многоэлементных приемников излучения. Изв. вузов СССР. Приборостроение. 1986. Вып. 9. с. 62-69.

52. Соул X. Электронно-оптическое фотографирование. М.,Воениздат, 1972.404 с.

53. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Под ред. М.Я. Кругера и В.А. Панова, Л., Машиностроение, 1978, 760 с.

54. Тараненко В.Г., Шанин О.И. Адаптивная оптика. М.: Радио и связь, 1990, 112 с.

55. Торочков В.Ю. Компенсация колебаний киносъемочного аппарата. М., 1982 (НИКФИ, Кинофототехника. Обзорная информация). Вып.7

56. Торочков В.Ю. Стабилизация положения кинокамеры относительно снимаемого объекта. "Техника кино и телевидения", 1967, №2.

57. Хуанг Т. Обработка изображений и цифровая фильтрация. М., Мир, 1979,320 с.

58. Шелепин Ю.Е., Герчикова В.Ф. Зависимость между размером и эксцентриситетом рецептивных полей нейронов латеральной супрасильвиевой области. // Физиол. журн.

59. Шлеер С., Меллор С. Объектно-ориентированный анализ: моделирование мира в состояниях. НПФ "Диалектика", Киев, 1993, 300 с.

60. Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. М.: Машиностроение, 1989. 359 с.

61. Akigama Т., Collard D. Integrated motion system for self-alignment of micro-optical devices // Proc.SPIE. Vol.2783, 1997, pp.117-124.

62. American Cinematographer, 1961, №11

63. Bazalev D., Gavrilov A., Khmelchshikov J. Aerial differential sighting/observation systems. // Air Fleet./ Russian Air Force Aircraft & Space Review, N3, 1998., p.56

64. Bedienungsanleitung fur das Kamerastabilisirungsgersst K-70, DEFA,1972.

65. Chen D., Cheng Y. Research on the architecture and modeling method of fixture intelligent computer-aided design systems. // Proc. SPIE, Vol.2620, 1995, pp.70-75.

66. Chikovani V. Laser device for three-axis orientation measurements with low sensitivity to gyro errors (computer simulation results). // Optical Engineering. Vol.34/04, 1995, pp.1008-1012.

67. Internet site: http://www.os.sri.com/vision.

68. Jenkins S., Hilkert J. Line of sight stabilization using image motion compensation. // Proc. SPIE, Vol.1111, 1989, pp.98-100.

69. Kaiser W., Barstein A. Microelectromechanical gyroscope analysis and simulation using SPICE electronic simulator. // Proc.SPIE. Vol.2642, 1995, pp.225-232.

70. Lewis G. Three-axis image stabilization with two-axis mirror. // Proc. SPIE, Vol. 1156, 1990, pp.309-313.

71. Masten M., Stockum L. Selected Papers on Precision Stabilization and Tracking Systems for Acquisition, Pointing and Control Application // Proc.SPIE, Vol MS 123, 1996, 700 pp.

72. Paisley D. 22-th International Congress of High-Speed Photography and Photonics // Proc.SPIE, 1997, 1013 p.

73. Ruda M. Fundamental of Optical Alignments Technics. II Proc. SPIE. Vol. VT110694, 1994, 268 p.

74. Smirnov A. Image stabilization in small satellite optoelectronic remote sensing systems. 11 Proc.SPIE. Vol.3119, 1997, pp.36-45.

75. Stephen L., Sayon B. Optical Scanning Systems Design and Application. // Proc. SPIE, Vol.3131, 1997, 318 p.

76. Trivedi M., Copeland A.Texture perception in humans and computers modedls and psychophysical experiments. // Proc. SPIE, Vol.2742, 1996, pp.436446.

77. Weiner D. Design consideration for Optical Scanning // Proc.SPIE, Vol.3131, 1997, pp.59-64.

78. Yang Y. Image Automatic Stabilization and Tracking In Convergent Light. // Proc. SPIE, Vol. 1697, 1992, pp.504-509.

79. Yao Wu, Tongshu L. Study on image-stabilizing reflecting prisms in case of a finite angular perturbation. // Proc. SPIE, Vol.1527, 1991, pp.448-455.

80. Yuejin Z. Line-of-sight steering and stabilization. // Proc.SPIE, Vol.21, 1982, p.96.

81. Yuejin Z. New image-stabilized system. // Proc. SPIE, Vol.2739, 1996, pp.319-323.

82. Zeng Y., Jing J. Computational model for design. // Proc. SPIE, Vol.2644, 1996, pp.638-643.108