СПОСОБ ЗАПИСИ СОСТОЯНИЙ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ - КИНЕГРАФИЯ Российский патент 1999 года по МПК G03B42/00 

Изобретение относится к области записи состояний движущихся объектов. Оно может быть использовано для записи состояния движущихся биообъектов и их систем.

Запись состояний движущихся объектов может быть осуществлена различными способами: в виде текстовой записи, в виде записи параметров движения в таблице, фотографированием. Недостатком указанных способов является малая информативность о состоянии движущихся объектов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является кинематографический способ записи информации о движущихся объектах изобретенный в 1895 году братьями Луи Жан и Огюст Люмьер. Данный способ включает использование аппарата для съемки и проекции "движущейся фотографии" [1]. Сущность этого способа состоит в фотографической записи временной последовательности изображений объектов, находящихся в поле наблюдения кинокамеры в кадрах (ячейках) фильма на матрице с переменными оптическими характеристиками (создаваемые путем дополнительного процесса проявления пленки) и демонстрации его на матрице (на пленке или экране).

Данный способ позволяет в целом правильно отражать состояние движущихся объектов: для первых зрителей фильм братьев Люмьера "Прибытие поезда на вокзал Ла Сьота", демонстрирующий движущийся поезд (объект), вызвал у зрителей ужас от кажущейся опасности наблюдателю быть задавленным.

Недостатком известного способа является низкая скорость восприятия информации наблюдателем вследствие последовательного характера передачи информации при демонстрации фильма. Существует возможность ускорить демонстрацию путем увеличения частоты смены кадров, но в этом случае происходит смешение оптических параметров изображения движущихся и недвижущихся объектов и получаемое изображение невозможно воспринять как какое либо состояние объекта. Аналогом этого явления может служить явление перегрузки каналов связи при попытке передачи больших объемов информации по каналу с ограниченной пропускной способностью. Другим недостатком является ограниченность поля наблюдения только полем наблюдения попадающего в объектив единственной камеры и, как следствие, ограниченность информации об объекте.

Целью изобретения является повышение скорости восприятия информации о состоянии движущегося объекта за счет замены демонстрации фильма демонстрацией статического изображения, а также расширение возможностей записи состояний движущихся объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, включающем запись состояния движущегося объекта в поле наблюдения и во времени на матрице с переменными оптическими характеристиками в ячейках, дополнительно матрицу и поле наблюдения разбивают на пространственные ячейки и связывают функциональной зависимостью переменные оптические характеристики ячейки матрицы с временем пребывания движущегося объекта в ячейке поля наблюдения t, отнесенного к общему времени записи T, причем величину t/T выбирают меньше 1.

Цель достигается тем, что ячеистое изображение на матрице равномерно размывают до разрушения ячеистой структуры.

Цель достигается тем, что разбиение матрицы производят на ячейки, топологически подобные форме ячеек поля наблюдения.

Сущность данного изобретения состоит в том, что производится запись состояния движущегося объекта в поле наблюдения и во времени на матрице с переменными оптическими характеристиками в ячейках. Новым в предлагаемом изобретении является то, что матрицу и поле наблюдения разбивают на пространственные ячейки и связывают функциональной зависимостью оптические характеристики ячеек матрицы с временем пребывания движущегося объекта в поле наблюдения ячейки t, отнесенного к общему времени записи T, причем выбирают величину t/T меньше 1.

Применяемый способ включает в себя измерение времени пребывания объекта в поле зрения ячейки t и время записи Т. Величина отношения этих величин (t/T) является измеряемой величиной. Этот параметр, равный единице, является границей, разделяющей неподвижные объекты от подвижных. Объект считается подвижным, если t/T меньше единицы, и неподвижным, если t/T больше единицы. Таким образом, предлагаемый способ записывает состояние только подвижных объектов.

Отличительным признаком является разбиение матрицы на пространственные ячейки, а не на временные (кадры фильма). Термин ячейка в прототипе используется в смысле ячейки времени (кадра), а в предлагаемом способе используется в смысле ячейки поля наблюдения и матрицы, в которой формируется изображение.

Требование функциональной связи между оптическими характеристиками ячейки матрицы и временем пребывания в поле зрения этой ячейки реализуется в предлагаемом способе впервые. В кинематографическом способе записи такая связь отсутствует. Функциональная связь может быть установлена в виде математической функции либо в виде таблицы соответствия цвета, тона или текстуры ячейки величине t/T. Ниже приведены формулировки терминов, необходимые для понимания сущности способа.

Под термином "оптические характеристики" понимаются свойства ячейки, создаваемые частицами красителя и фона ячейки. Краситель - это объект, который заполняет ячейку. Цвет ячейки определяется цветом красителя и цветом фона ячейки. Тон ячейки определяется количеством частиц красителя в ячейке. Текстура ячейки - это однородный рисунок из повторяющихся элементов, меньших, чем размер ячейки. Под термином изображение понимаются два взаимосвязанных понятия: точечное изображение и ячеистое изображение. Точечное изображение формируется путем задания позиции (координат) точек на матрице и предполагает наличие одного наблюдателя. Вид изображения в поле зрения одного наблюдателя зависит от расстояния до объекта наблюдения. Вблизи точечное изображение распадается на точки. Вдали - все изображение превращается в одну точку. В интервале между этими расстояниями существует функциональная зависимость элементов структур изображения от расстояния и свойств наблюдателя. По мере удаления наблюдателя от матрицы множество точек будет группироваться в ячейки определенного тона. В дальнейшем - появляются элементы структуры. Однако, начиная с некоторого расстояния, детали изображения будут вновь теряться. Вид изображения - точечный или ячеичный зависит от позиции наблюдателя и его желания увидеть степень детализации изображения. Формирование ячеек может происходить по двум направлениям. Первое это подсознательное разбиение изображения на ячейки (естественное разбиение - являющееся следствием ячеистой структуры глаз). Второе - специальное разбиение, как это предлагается в данном способе. Дополнительное разбиение на ячейки наблюдения позволяет вести запись состояния объектов в виде изображения, которое недоступно другим способам. Так например, можно записать изображение рынка покупателей, движущегося животного, движущуюся жидкость на глубине нескольких километров под землей и т.п.

Существуют приемы работы с изображениями, которые эквивалентны изменению позиции наблюдателя - расстояния от матрицы с изображением или от объекта наблюдения. Например, удаление от матрицы с изображением эквивалентно размыванию деталей изображения. Следует также учитывать возможность того, что наблюдатели с дефектами зрения могут видеть размытое изображение, тогда как наблюдатели без дефектов зрения будут видеть неразмытое изображение.

Возможен также формальный подход к пояснению сущности данного способа. Точечное изображение может быть представлено как подмножество точек (подмножество-изображение) из множества точек координатной плоскости. Ячеистое изображение формируется из точечного путем разбиения множества точек, принадлежащих изображению, на подмножества - ячейки. Количество точек в ячейке определяет тон ячейки. Точечному изображению соответствует изображение, полученное из частиц красителя.

Обратный переход от ячеичного изображения к точечному состоит в создании условий для диффузии точек (частиц красителя) из ячеек за счет существования градиента концентрации частиц красителя на границах ячеек. Процесс преобразования ячеистого (тонового) изображения в точечное называется размытием. Степень размытия задается радиусом размытия r. Предельный случай полного размытия соответствует преобразованию матрицы в ячейку (r много больше размера матрицы). Результат такого размытия будет подобен размытию, упомянутому выше.

При сравнении качества различных изображений используется термин "разрешение", понимаемый как количество элементов изображения, отнесенное к площади матрицы. Разрешение точеченого изображения выше, чем разрешение ячеистого изображения ввиду того, что количество точек больше количества ячеек на матрице по определению.

Новым является то, что ячеистое изображение на матрице равномерно размывают до разрушения ячеистой структуры. Размытие разрушает ячеистую структуру изображения и формирует точечное изображение, имеющее более высокое разрешение. Глубину размытия можно задавать указанием радиуса r, на который проникают частицы красителя от первоначального положения. (Можно также трактовать как удаление наблюдателя от матрицы с изображением). Следовательно по мере увеличения радиуса размытия будут исчезать элементы структуры изображения меньшие, чем радиус размытия. Понятно, что первыми исчезающими элементами будут линии границ ячеек, размер которых равен размеру ячеек. При умеренном размытии исчезает ячеистая структура изображения и оно становится точечным, но сохраняющим все основные элементы структуры записываемого объекта.

Новым является то, что разбиение матрицы производят на ячейки, топологически подобные форме ячеек поля наблюдения. Под топологическим подобием понимается требование постоянства отношения площадей ячеек на поле наблюдения и матрице, причем формы ячеек поля наблюдения и матрицы должны иметь одинаковую топологию [2] . Одинаковую топологию, например, имеют окружность, эллипс, контур, квадрат.

В простейшем случае поле наблюдения и матрицу разбивают на две равновеликие ячейки. При прямоугольной форме матрицы изображением состояния движущегося объекта будет любая из фигур с одинаковой топологией: круг, квадрат, контур, эллипс и т.п., полностью находящаяся внутри матрицы, причем их площадь равна половине площади матрицы. Изображение несет информацию об объекте наблюдения, если оптические характеристики ячеек отличаются.

Получаемые при записи на топологически подобных ячейках изображения служат той же цели, что и запись на геометрически подобных ячейках, но с новыми возможностями для анализа.

Ввиду того что изображение движущегося и недвижущегося объектов геометрически различны на одной матрице, то оказывается возможным производить сравнение двух изображений путем наложения изображений состояний подвижного и неподвижного объекта. Получаемое изображение несет более полную информацию об объекте наблюдения, чем каждое из них в отдельности.

Данный способ предлагается назвать "кинеграфия", название образуется из сокращения греческого слова "кинематос" (движение) и слова "графо" (пишу).

Предлагаемый способ позволит получить следующие преимущества перед известным:
1. Позволит повысить скорость восприятия состояния движущихся объектов.

2. Позволит демонстрировать состояния движущихся объектов в статических условиях, что позволит наблюдать такие параметры состояния движущихся объектов, которые невозможно наблюдать при демонстрации фильма.

3. Этот способ записи носит объективный характер, так как вся информация может быть однозначно документирована.

4. Объектами наблюдения в предлагаемом способе могут стать не только объекты, попадающие в поле зрения одного устройства - кинокамеры, но и объекты, попадающие в поле зрения нескольких кинокамер, каждая из которых имеет поле зрения в пределах ячейки.

5. Данный способ имеет более широкие возможности в смысле устройств записи состояний.

6. Позволяет компактно представлять информацию о состоянии объектов.

Примеры конкретного применения.

Пример 1.

В данном примере приводится реализация способа с использованием специального режима фотографирования и специфического объекта - движущегося источника света. Для данного примера использован крутильный маятник, состоящий из: маховика в виде диска радиусом 10 см с закрепленными на нем лампочкой, батарейкой, питающей лампочку, системы противовесов для регулирования периода колебания маятника и упругой нити, на которой маятник подвешен к неподвижной опоре. Использование движущегося светящегося объекта позволяет непосредственно регистрировать время пребывания в любой ячейке поля наблюдения и связывать это время с оптической плотностью изображения на матрице (фотопленке).

Запись изображения производили фотографическим аппаратом при длительности экспозиции (периоде наблюдения Т), равной 3 периодам колебания маятника. Сделано 5 фотографий с нейтральными светофильтрами различной плотности. Из нескольких фотографий была выбрана фотография с оптимальным соотношением света и тени. С этим же светофильтром сделана фотография статической лампочки. Результаты представлены на фиг. 1.

Полученные записи изображений позволяют зрительно быстро оценить ряд признаков, отличающих состояние движущегося объекта от статического. В сравнении со статическим состоянием той же лампочки оно занимает больший объем и имеет другую форму и более сложное внутреннее строение.

Пример 2.

В данном примере объектом исследования был биообъект - рыбка в аквариуме. Рыбка имеет три степени свободы в пространстве и может находиться в любом месте аквариума. Однако ряд внешних условий (освещенность, наличие корма) влияет на движение рыбки в аквариуме.

Условия проведения опыта следующие: рыбка породы меченосец, пространство для плавающей рыбки размером 20•20•40 см заполнено водой. С одной стороны аквариума (размером 20•40 см) наклеена прозрачная пленка с сеткой, которая формирует 32 (4•8) ячейки наблюдения размером 5•5 см. Для эксперимента подготовлены секундомер и таблица в виде сетки для записи результатов с 32 ячейками, геометрически подобной сетке на стенке аквариума. Наблюдение за движением рыбки проводили с расстояния 2 м. В течение 1 часа проводили регистрацию времени нахождения рыбки в каждой из ячеек по секундомеру и записывали это время в таблицу. После окончания опыта результаты в каждой ячейке суммировали и записывали общее время пребывания рыбки в ячейке в единицах Т, выраженное в %. Результаты представлены в табл. 1 (см. в конце описания).

Для установления функциональной связи между временем пребывания рыбки в ячейке и оптическими характеристиками создали таблицу соответствия тон - время. В качестве воспроизводящей изображение матрицы использовали лист бумаги с ячейками, геометрически подобными ячейкам поля наблюдения. Функциональную связь параметра t/T и тона установили в виде, представленном на фиг. 2a. После подстановки параметров таблицы наблюдений в ячейки матрицы было получено ячеичное изображение, представленное на фиг.2b.

Пример 3.

Наблюдаемый движущийся объект: домашнее животное - собака породы колли. Поле наблюдения - квартира, где проживает собака. Период наблюдения 14 суток. Поле наблюдения - квартира разделена на нумерованные ячейки в соответствии с планом. Форма и положение разных ячеек были выбраны на основании предшествующих наблюдений о месте вероятного положения животного. Ячейки были пронумерованы и в них вели наблюдение за собакой. Измеряли время нахождения собаки в ячейке t. Результаты записывали в таблицу. Общее время наблюдения Т определяли суммированием времени всех наблюдений в часах. Полученные данные в виде параметра t/T (в %) свели в таблицу с нумерованными ячейками. Функциональная зависимость тона от параметра t/T представлена в форме 3 уровней градаций серого цвета. Изображение на матрице было сформировано заданием тона ячеек, геометрически подобных наблюдательным ячейкам, в соответствии с данными измерений и таблицы градаций тона (тоновая кодировка). План квартиры с нумерованными ячейками, таблица градаций тона и изображение, представляющее собой состояние движущегося животного, на матрице представлено на фиг. 3а. Результаты записи представлены в табл. 2. По результатам измерений построено ячеистое (фиг. 3c) и точечное (фиг. 3d) изображения.

Пример 4.

Предлагаемым способом может быть записано состояние множества неразличимых объектов.

В данном примере объектом исследования выбрана система из множества движущихся объектов - покупателей на рыночной площади. Учитывая особенности системы, одновременно проводили запись состояния продавцов. Опыт проведен на рынке на площади им. Гагарина в г. Москве. План рынка с указанием двух входов представлен на фиг.4а. Период наблюдения - 2 года, с 1994 по 1996 г. Объект разбит на ячейки наблюдения, в каждой из которых находился наблюдатель. Информацию о времени нахождения покупателей в ячейках расчитывали на основе прямого или косвенного опроса торговцев о времени нахождения покупателей в ячейках. В качестве косвенных способов выбраны два: по количеству покупок на данном торговом месте и по выручке от продажи товара.

Расчет времени t по количеству покупок связан с тем, что время, затрачиваемое на процедуру продажи одной единицы товара на рынке, колеблется в небольших пределах и примерно равно 3 минутам. Общее время определяется произведением времени одной покупки на количество покупок.

Путем анализа прибыли торговцев также можно определить время t. Каждый продавец на рынке знает свою валовую прибыль за день торговли. Валовая прибыль прямо пропорциональна количеству времени, затрачиваемого торговцем на обслуживание покупателя. Время t расчитывается как валовая прибыль, отнесенная к стоимости одной (средней) прибыли от продажи единицы товара, умноженной на время обслуживания (3 минуты).

Параметр наблюдения t/T записывали в цифровой кодировке в % и с использованием таблицы соответствия (фиг. 4b) в тоновой и текстурной кодировке. При визуализации изображений из табличных данных ячейки для наблюдения за продавцами отличались от ячеек для наблюдения за покупателями текстурой. Можно было бы вместо текстуры использовать цвет. Но это связано с затратами на воспроизведение цветной печати. Геометрические и топологические съемки параметров рыночной площади проведены с использованием традиционных примеров измерений.

Результаты наблюдений параметра t/T в % и в тоново-текстурной кодировке в соответствии с функциональной связью, представленной на фиг. 4с, приведены в табл. 3.

По данным табл. 3 получено изображение рынка на матрице с геометрически подобными ячейками, представленное фиг.4с. После процедуры размытия изображения получено точечное изображение системы движущихся объектов, представленное на фиг.4d. Как видно из представленных записей, изображение покупателей имеет внутреннюю структуру, связанную с влиянием двух факторов. Первый - это торговые ряды. Второй - концентрация покупателей у входа на рынок и по линиям свободного прохода в область торговли.

Пример 5.

В данном примере приведены результаты записи состояний покупателей рынка с использованием данных примера 4 на матрице с "топологически подобными" ячейками. Для этого поле наблюдения и матрицу разбили на шесть ячеек. Для пяти ячеек матрицы выбрали форму окружности. Оставшаяся ячейка - свободная от окружностей часть квадратной матрицы. Самая большая ячейка связана с площадью для передвижения покупателей. 4 ячейки внутри площади - физические ограничения передвижению покупателей - торговые ряды с продавцами. Результаты измерений по номерам ячеек сведены в табл. 4.

По данным табл. 4 построено изображение состояния движущихся покупателей. Изображение плана рынка и состояния движущихся покупателей, совмещенное с изображением неподвижных покупателей, представлено на фиг. 5a,b. Полученное изображение представляет собой область с включенными в нее пустотами - большими и малыми кружками. Появление больших кружков вызвано влиянием на состояние покупателей торговых рядов. Малые кружки - вызваны влиянием самих неподвижных покупателей. Такая картина наводит на аналогию рынка с атомным строением вещества, в частности металлов. "Продавцами" здесь являются массивные положительно заряженные ядра атомов, а "покупателями" - отрицательно заряженные электроны, которые в своем движении создают "рынок", на котором продается и покупается один "товар" - виртуальные фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия между зарядами. Приведенный пример показывает возможности анализа изображений состояния подвижных объектов на топологически подобных ячейках.

Пример 6.

В данном примере показана возможность записи состояния движущегося жидкого объекта - пластового флюида при добыче нефти с глубины 2 км с использованием технологии поддержания пластового давления путем закачки в пласт воды.

Такая возможность появляется вследствие того, что в такой системе можно выделить ячейки для наблюдения и определить параметр t/T. Выделение этого параметра для нефтедобычи предполагает модель извлечения нефти через скважину, когда часть времени скважина работает (жидкость подвижна), а часть времени не работает (жидкость неподвижна). Практически удобным оказывается определение этого показателя по текущим промысловым данным о добыче жидкости. Определение времени t производится делением данных об отборе за текущий период наблюдения на темп отбора жидкости или ее компонентов.

Обычная схема разработки нефтяной залежи состоит в следующем. На нефтеносной площади бурят несколько скважин. После падения пластового давления из-за отбора нефти дальнейшую разработку ведут с использованием нагнетания воды через выделенные для этой цели нагнетательные скважины. Практически важно иметь текущую информацию о движении жидкости для принятия решения о изменении режима отбора с целью оптимизации нефтедобычи.

В качестве исходной информации использовали промысловую и геологическую информацию об участке разработки нефтяной залежи. План участка разработки был разбит на ячейки вокруг добывающих скважин. Время наблюдения выбрано 6 месяцев. Результаты наблюдений приведены в табл. 5 в кодировках тона и t/T.

Далее установили функциональную связь между параметром t/T и тоном. На основании этих данных получено ячеистое и точечное изображение, представленное на фиг. 6. На изображении пласта высокого разрешения видны более темные области, которые свидетельствуют о существовании отдельных областей высокой подвижности.

Источники информации
1. Люмьер (Lumiere). Советский энциклопедический словарь. -М.: Советская энциклопедия, 1980, с.744.

2. Топология. Советский энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1980, с.1352.

Способ записи состояний движущихся объектов относится к измерительной технике и может использоваться для записи движущихся биообъектов и их систем. Способ записи состояний движущихся объектов в поле наблюдения и во времени на матрице с переменными оптическими характеристиками в ячейках заключается в том, что матрицу и поле наблюдения разбивают на пространственные ячейки и связывают функциональной зависимостью переменные оптические характеристики ячейки матрицы с временем пребывания движущегося объекта в ячейке поля наблюдения t, отнесенного к общему времени записи Т, причем величину t/Т выбирают меньше 1. Кроме того, ячеистое изображение на матрице равномерно размывают до разрушения ячеистой структуры и разбиение матрицы производят на ячейки, топологически подобные форме ячеек поля наблюдения. Изобретение позволяет повысить скорость восприятия информации. 2 з.п.ф-лы, 6 ил., 5 табл.

1. Способ записи состояний движущихся объектов в поле наблюдения и во времени на матрице с переменными оптическими характеристиками в ячейках, отличающийся тем, что матрицу и поле наблюдения разбивают на пространственные ячейки и связывают функциональной зависимостью переменные оптические характеристики ячейки матрицы с временем пребывания движущегося объекта в ячейке поля наблюдения t, отнесенного к общему времени записи Т, причем величину t/Т выбирают меньше 1. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что ячеистое изображение на матрице равномерно размывают до разрушения ячеистой структуры. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что разбиение матрицы производят на ячейки, топологически подобные форме ячеек поля наблюдения.