СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИНЕЙНОГО РАЗРЕШЕНИЯ НА МЕСТНОСТИ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ (АЭРОФОТОГРАФИЧЕСКОЙ) СИСТЕМЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПО КРИТЕРИЮ МОЛЧАНОВА Российский патент 2025 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано при проведении летных (натурных) испытаний авиационных аэрофотографических и оптико-электронных систем с целью их квалиметрии на основе анализа и обработки изображений наземных штриховых мир видимого диапазона при проведении летных (натурных) испытаний.

Из уровня техники известен способ квалиметрии оптико-электронной системы летательного аппарата (ЛА), заключающийся в определении линейного разрешения на пиксель (патент на изобретение RU 2732784). Способ предусматривает получение изображений в цифровом виде с использованием штриховой миры, увеличение масштаба изображения распознанной группы штрихов штриховой миры до предельного значения, когда отображается структура наименьшего элемента - пикселя, и определение линейного разрешения на пиксель, заключающееся в установлении величины минимального расстояния между соседними светлыми штрихами миры распознанной группы штрихов, соответствующего одному пикселю. Недостатками данного способа является то, что оценка линейного разрешения связана с психофизиологическими особенностями восприятия изображений оператором-дешифровщиком, имеющими в значительной степени субъективный характер.

Известен способ определения функции передачи модуляции цифровых оптико-электронных систем дистанционного зондирования Земли (патент на изобретение №2789602), заключающийся в вычислении коэффициентов передачи модуляции для каждой пространственной частоты как отношений полученных контрастов цифровых изображений к фактическому модуляционному контрасту штриховых мир, определении графического вида функции передачи модуляции в форме графика зависимости вычисленных коэффициентов передачи модуляции от пространственной частоты и аналитического вида функции передачи модуляции в форме эмпирической зависимости, полученной на основе аппроксимации построенного графика функции передачи модуляции. Недостатками данного способа является то, что он не позволяет установить критерий - пороговый контраст изображения штриховой миры, который еще распознается для заданной пространственной частоты.

Существующие методы оценки предусматривают аэрофотосъемку (получение изображения) одного и того же участка земной поверхности с расположенными на нем штриховыми мирами (тест-объектами). Затем группа дешифровщиков определяет по действующим методикам величину линейного разрешения на местности и дает экспертную оценку качества. К недостаткам оценки линейного разрешения на местности следует отнести ее субъективный характер, так как линейное разрешение на местности

оценивается оператором-дешифровщиком. Ошибка оператора-дешифровщика, в сознании которого еще не установился четкий критерий разрешения, достигает 40%. Недостатками известных способов является низкая автоматизация процесса дешифрирования изображений.

Технической задачей изобретения является повышение автоматизации по определению линейного разрешения на местности оптико-электронными системами пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.

Решение технической задачи обеспечивается за счет того, что на земной поверхности вдоль и поперек траектории полета летательного аппарата, оборудованного оптико-электронной (аэрофотографической) системой, раскладывают и с помощью колышков максимально растягивают по горизонтали полотна штриховых мир, представляющие собой темные прямоугольные полотна из нерастяжимой прорезиненной ткани с нанесенными абсолютно белыми штрихами, таким образом, что каждая мира представляет собой набор групп, каждая из которых состоит из чередующихся друг за другом белых и темных штрихов, расположенных параллельно друг другу (всего в каждой группе 3 белых и 2 темных штриха), причем в пределах группы ширина штрихов (пространственная частота) постоянна, длина штрихов составляет отношение с шириной 5:1, пространственная частота следования штрихов от группы к группе изменяется в диапазоне от 0,01 до 3 м с шагом 1,12, группы штрихов последовательно нанесены на полотне миры в порядке возрастания ширины штрихов с выравниванием по краю полотна, расстояния, разделяющие смежные группы, как минимум, в два раза больше, чем ширина одного штриха в группе с более широкими штрихами, затем при априорно заданных значениях высоты и курса полета ЛА выполняют аэросъемку участков местности с размещенными штриховыми мирами и по полученным цифровым аэроснимкам на основе результатов измерений уровней освещенности пикселей яркостей белых и темных штрихов миры, определяют линейное разрешение на местности в автоматизированном режиме с помощью специального программного комплекса визуализации и обработки изображений.

Измерение освещенностей пикселей, составляющих цифровое изображение светлых и темных штрихов, в значениях уровня тона может изменяться от 0 до 65535.

Вычисление оценки линейного разрешения на местности может выполняться подсчетом числа пикселей, укладывающихся между соседними светлыми штрихами миры.

Дешифрование изображений штриховых мир и определение распознанной группы штрихов может осуществляться с возможностью оптимизации технологического процесса посредством применения машинного обучения.

Сущность изобретения заключается в следующей последовательности операций.

1. Размещение на ровном участке земной поверхности штриховых мир видимого диапазона с учетом расположения штрихов вдоль и поперек направления полета ЛА (пилотируемого либо беспилотного) и отсутствия объектов, затеняющих поверхность участка, на котором находятся миры. Наличие в полотне метки радиочастотной идентификации (RFID-метки) упрощает поиск местоположения миры при планировании траектории полета ЛА (над штриховой мирой) и сборе мир по завершении полетов.

2. Выполнение аэросъемки местности с размещенными на ней штриховыми мирами с помощью оптико-электронной (аэрофотографической) системы при заданных значениях высоты и курса полета ЛА.

Курс полета ЛА выбирается таким образом, чтобы продольные и поперечные оси штрихов штриховых мир находились в пределах ±10° от линий перпендикулярных и параллельных направлению полета, соответственно.

Боковое удаление линии пути ЛА от штриховых мир, расположенных на земной поверхности, выбирается таким образом, чтобы изображения штриховых мир попадали в центр аэроснимка.

Полеты проводятся при отсутствии облачности и тумана в слое атмосферы между траекторией полета ЛА и земной поверхностью, на которой размещены штриховые миры.

3. Определение фактического модуляционного контраста штриховых мир путем измерения на местности яркостей светлых и темных штрихов в моменты выполнения аэрофотосъемки оптико-электронной (аэрофотографической) системой. Модуляционный контраст определяется по формуле

где L_c и L_m - результаты измерений яркостей светлых и темных штрихов миры в ходе выполнения аэросъемки, кд/м².

Измерение яркостей каждого штриха (проводится одновременно с выполнением аэрофотосъемки в моменты пролета ЛА над штриховыми мирами, не менее чем в пяти точках измерения по всей длине штриха.

4. Отбор цифровых аэроснимков, полученных при угловых колебаниях ЛА, не превышающих допустимые значения, с расположением штриховых мир в центре аэроснимка или удаленных от центра в направлении горизонтальной и вертикальной стороны аэроснимка на расстояния, не превышающие 20% поперечного и продольного размера аэроснимка, соответственно.

Отбирается не менее 20 цифровых аэроснимков с изображением штриховых мир.

5. Отображение отобранных цифровых аэроснимков с изображениями штриховых мир на специальном программном комплексе визуализации и обработки изображений (далее - СПК).

6. Дешифрирование изображений штриховых мир, отображаемых на СПК, не менее чем тремя операторами-дешифровщиками, по результатам которого определяются распознанные штрихи миры. На изображении распознанными считаются те штрихи, для которых визуально воспринимается разница в уровне серого тона между каждым светлым штрихом и соседними с ним темными штрихами.

7. Увеличение масштаба изображений группы штрихов миры на СПК каждым оператором-дешифровщиком до такого уровня пиксельной структуры, чтобы оператор-дешифровщик смог выделить границы группы штрихов на основе собственного визуального восприятия разницы в уровне серого тона.

8. Выполнение на СПК каждым оператором-дешифровщиком последовательно для каждого увеличенного вертикального столбца группы штрихов, измерение уровней освещенности значения максимального E_max и минимального E_min уровней освещенности (каждого пикселя) по вертикали в границах группы.

9. Определение глубины модуляции ΔЕ, характеризующей контраст изображения штриховой миры, нормированный к единице на нулевой ПЧ для каждого k-го столбца распознанной группы:

где E_maxk, E_mink - значения освещенностей изображений светлого и темного штрихов для k-го столбца распознанной группы соответственно.

10. Определение усредненного значения глубины модуляции по всем вертикальным столбцам в соответствии с формулой

11. Определение коэффициента передачи модуляции распознанной группы штриховой миры в соответствии с формулой

где ΔМ₀ - коэффициент передачи модуляции распознанной группы штриховой миры; К₀ - фактический модуляционный контраст штриховых мир.

12. Определение распознанной группы штрихов в автоматизированном режиме с помощью специального программного комплекса визуализации и обработки изображений на основе критерия порогового контраста изображения штриховой миры ΔМ≥20%, соответствующему визуальному распознаванию группы штриховой миры. Критерий Молчанова ΔM представляет собой пороговый контраст изображения штриховой миры, который соответствует распознаванию штриховой миры оператором-дешифровщиком и заключается в выполнении условия ΔМ≥20%, что соответствует визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий и определить «зачетную группу» штриховой миры.

13. Вычислении оценки линейного разрешения на местности оптико-электронной (аэрофотографической) системы летательного аппарата как среднее арифметическое значений оценок, каждая из которых равна определенной на изображении величине расстояния между соседними светлыми штрихами, в распознанных по критерию ΔM «зачетных группах» штриховой миры.

Пример

На фиг. 1 приведено изображение штриховой миры видимого диапазона на СПК, полученное при выполнении натурных испытаний комплекса с беспилотным летательным аппаратом средней дальности самолетного типа «Иноходец».

В автоматизированном режиме специального программного комплекса визуализации и обработки изображений получены значения освещенностей пикселей в значениях уровня серого тона и их модуляции для столбцов групп №1, 2, 3 штриховой миры (фиг. 2), представлены в таблицах 1, 2, 3 соответственно.

Значение по критерию ΔM, рассчитанное по формуле (5), для группы №1 штриховой миры составило 11.8%, что не соответствует (ΔМ<20%) визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий и не позволяет определить зачетную группу штриховой миры.

Значение по критерию ΔM, рассчитанное по формуле (5), для группы №1 штриховой миры составило 21.37%, что соответствует (ΔМ≥20%) визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий и позволяет определить «зачетную группу» штриховой миры. Линейное разрешение по «зачетной группе» №2 составило L=0.02 м.

Значение по критерию ΔM, рассчитанное по формуле (5), для группы №1 штриховой миры составило 32.7%, что соответствует (ΔМ≥20%) визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий.

Последующие изображения штриховых мир анализируются в аналогичном порядке.

Данное изобретение позволит повысить автоматизацию процесса распознавания штриховой миры.

Отличием заявляемого способа является:

автоматизация процесса, распознавания штриховой миры и достоверности определения линейного разрешения на местности, размещаемых на пилотируемых и беспилотных ЛА с минимизацией участия оператора-дешифровщика в процессе распознавания группы штрихов штриховой миры;

при его реализации учитывается цифровой вид изображений, характеризующийся пиксельной структурой;

при определении линейного разрешения на местности учтен фактический модуляционный контраст штриховых мир, измеряемый на местности не менее, чем в пяти точках, одновременно с выполнением аэросъемки при пролете ЛА над штриховыми мирами;

при определении линейного разрешения на местности производится измерение освещенностей пикселей, составляющих цифровое изображение светлых и темных штрихов, в значениях уровня серого тона от 0 до 255.

Технический результат, достигаемый совокупностью признаков заявленного изобретения, состоит в автоматизации процесса распознавания штриховой миры без участия оператора-дешифровщика при определения линейного разрешения на местности оптико-электронной (аэрофотографической) систем летательных аппаратов.

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для квалиметрии авиационных цифровых оптико-электронных систем при проведении летных испытаний. Способ заключается в размещении на земле по горизонтали штриховых мир видимого диапазона, выполнении аэросъемки участков местности с размещенными штриховыми мирами при априорно заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата, дешифрировании полученных цифровых аэроснимков не менее чем тремя операторами-дешифровщиками, определении фактического модуляционного контраста штриховых мир на основе результатов измерений на местности яркостей светлых и темных штрихов штриховых мир, отображении на программном комплексе визуализации и обработки изображений отобранных цифровых аэроснимков с изображением штриховых мир и их дешифрировании. При этом дешифрирование изображений штриховых мир и определение распознанной группы штрихов осуществляется в автоматизированном режиме с помощью программного комплекса визуализации и обработки изображений на основе критерия порогового контраста изображения штриховой миры, соответствующему визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий и определении распознанной группы штриховой миры, вычислении оценки линейного разрешения на местности оптико-электронной системы летательного аппарата как среднее арифметическое значений оценок, каждая из которых равна определенной на изображении величине расстояния между соседними светлыми штрихами, в распознанных группах штриховой миры. Технический результат – обеспечение возможности автоматизации процесса распознавания штриховой миры без участия оператора-дешифровщика при определении линейного разрешения на местности оптико-электронных систем летательных аппаратов. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 3 табл.

1. Способ определения линейного разрешения на местности оптико-электронных и аэрофотографических систем летательного аппарата, заключающийся в том, что:

размещают на местности штриховые миры видимого диапазона, представляющие собой набор групп штрихов, каждая из которых состоит из чередующихся друг за другом белых и темных штрихов,

выполняют аэросъемку штриховых мир при априорно заданных значениях высоты и курса полета летательного аппарата,

определяют фактический модуляционный контраст штриховых мир на основе результатов измерений на местности яркостей не менее чем в пяти точках, для каждого, светлого и темного штрихов штриховой миры в моменты выполнения аэросъемки оптико-электронной системой, в соответствии с выражениями , где L_c и L_m - результаты измерений яркостей светлых и темных штрихов миры в ходе выполнения аэросъемки, кд/м²,

отображают на программном комплексе (ПК) визуализации и обработки изображений не менее 20 отобранных цифровых аэроснимков с изображением штриховых мир,

отличающийся тем, что осуществляют дешифрование изображений штриховых мир, отображаемых на ПК, не менее чем тремя операторами-дешифровщиками, по результатам которого определяются распознанные штрихи миры,

выполняют на ПК каждым оператором-дешифровщиком последовательно для каждого увеличенного вертикального столбца группы штрихов, измерение уровней освещенности значения максимального и минимального уровней освещенности каждого пикселя по вертикали в границах группы,

определяют глубину модуляции, характеризующей контраст изображения штриховой миры, далее определяют усредненное значение глубины модуляции по всем вертикальным столбцам,

определяют распознанную группу штрихов в автоматизированном режиме с помощью ПК визуализации и обработки изображений на основе критерия порогового контраста изображения штриховой миры ΔМ≥20%, соответствующему визуальному распознаванию группы штриховой миры для заданных условий и определении распознанной группы штриховой миры,

вычисляют оценку линейного разрешения на местности как среднее арифметическое значений оценок, каждая из которых равна определенной на изображении величине расстояния между соседними светлыми штрихами, в распознанных по критерию ΔM группах штриховой миры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при определении линейного разрешения на местности авиационной цифровой оптико-электронной системы производится измерение освещенностей пикселей, составляющих цифровое изображение светлых и темных штрихов, в значениях уровня тона от 0 до 65535.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при вычислении оценки линейного разрешения на местности выполняют подсчет числа пикселей, укладывающихся между соседними светлыми штрихами миры.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дешифрирование изображений штриховых мир и определение распознанной группы штрихов осуществляется с возможностью оптимизации технологического процесса посредством применения машинного обучения.