Исследование методов и разработка алгоритмов формирования сигналов изображения в объемных индикаторах радиолокационных станций

Актуальность темы

Существенно расширить возможности современных систем представления информации помогает объемное представление информации (объемное изображение, З-d видение). К настоящему времени экспериментально доказаны преимущества объемного отображения визуальной информации для дистанционного контроля за сборочными и технологическими процессами в промышленности. Наличие З-d изображений позволяет облегчить управление подводными аппаратами и лучше изучать рельеф поверхности морского дна, успешнее осуществлять стыковку космических кораблей. Перспективно применение объемного изображения в компьютерной томографии, где возможно облегчить работу диагностов и хирургов за счет объемного представления органов человека. Наличие трехмерного изображения сложного проектируемого конструктором объекта позволит повысить качество проектирования. Перспективно применение объемных изображений в средствах обучения и тренажерах. Одним из важных приложений является объемное отображение воздушной обстановки в районе аэропортов в системах управления воздушным движением.

Для обеспечения максимальной эффективности работы большинства современных систем управления сложными механизированными и автоматизированными процессами требуется непосредственное участие человека. В таких системах оператор осуществляет слежение, контроль и регулирование хода процесса, что требует представления визуальной информации в наиболее наглядной трехмерной форме, обеспечивающей адекватное восприятие быстро изменяющейся информации.

Особое место среди систем объемного видения занимают телевизионные системы. Объемным телевидением ученые и инженеры разных стран занимаются с 30-х годов прошлого столетия. Первое объемное телевизионное изображение было получено в 1950 г. в Ленинградском электротехническом институте связи (ныне Государственном университете телекоммуникаций) группой исследователей под руководством проф. Шмакова П. В., а в 1975 г. в Ленинграде была проведена первая стереотелевизионная передача для широкого круга зрителей. В последние годы опытные стереоскопические передачи ведутся в Японии и США. Однако вплоть до настоящего времени не решены многие важнейшие вопросы формирования и передачи полноценных объемных изображений. В первую очередь к ним относятся построения систем представления трехмерного изображения.

В ряде областей науки и техники нет необходимости отображать все световые и пространственные характеристики трехмерного объекта. Часто бывает достаточно отобразить только необходимую информацию, например о геометрической форме и размерных характеристиках объекта. На таком принципе построены системы, в которых объемное видение обеспечивается сканированием световым или электронным лучом по движущейся поверхности. Такие системы включают в свой состав устройства различного функционального назначения, но характерным в них является необходимость управления положением и яркостью оптического или электронного луча с использованием радиоэлектронных устройств.

Поскольку третья координата изображения значительно увеличивает количество передаваемой и хранимой информации для формирования трехмерного изображения, то и требования, предъявляемые к быстродействию радиоэлектронных устройств, значительно повышаются по сравнению с двумерными устройствами отображения информации. Одним из основных параметров качества изображения является количество элементов разложения объемного изображения — объемных пиксел (воксел). Как правило, повышение количества элементов и обеспечение их разрешения предъявляют противоречивые требования к системам синтеза и формирования сигналов управления параметрами оптического или электронного луча. Для разрешения этих противоречивых требований прежде всего необходимо решить задачу оптимального представления, передачи и хранения информации об объемном изображении. Это представление должно быть тесно увязано со способом формирования объемного изображения, причем объем информации должен быть минимально возможным, чтобы эту информацию можно было передавать по реальным каналам в реальном времени. Все вышесказанное свидетельствует об актуальности решения вопросов выбора методов представления и сжатия информации об объемном изображении.

В настоящее время наиболее перспективным путем формирования объемного изображения является сканирование оптическим лучом по вращательно или возвратно-поступательно движущейся поверхности. Целесообразно в качестве источников оптического излучения для формирования объемных изображений использовать лазерные источники. Одним из основных устройств, позволяющих наиболее эффективно управлять параметрами когерентного излучения можно назвать дифракционный акустооптический модулятор (АОМ). Повышение качества изображения может быть достигнуто путем возбуждения АОМ сигналом с амплитудным спектром, пропорциональным составу изображения. В связи с этим актуальной является задача синтеза и формирования такого сигнала в реальном времени.

В настоящее время существует множество пакетов машинной графики, в том числе трехмерной, ориентированных только на двумерные устройства представления информации. Поэтому актуальным представляется разработка пакетов программ для формирования и редактирования объемных изображений, ориентированных на устройства воспроизведения трехмерных изображений со сканированием оптического луча по вращающейся поверхности.

Настоящая работа посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию этих актуальных для проектирования систем формирования объемных изображений вопросов.

Цели работы. Основные цели работы можно сформулировать следующим образом:

— разработка методов экономичного представления сигнала строки изображения для плоского сечения объемного изображения- -оценка возможностей сжатия сигнала строки плоского сечения объемного изображения;

— исследование и разработка алгоритмов обратного преобразования Фурье от сжатого сигнала строки плоского сечения объемного изображения- -разработка алгоритмов восстановления сигнала по модулю его спектра- -разработка программного обеспечения для формирования и редактирования объемных изображений;

— экспериментальные разработки и исследования устройств формирования объемных изображений.

Объекты и методы исследования. Объектом исследования являются радиоэлектронные блоки определяющие качество объемного изображения и алгоритмы их функционирования, позволяющие осуществить сжатие сигнала строки плоского сечения объемного изображения путем разложения спектра сигнала в ортогональном базисе и его фильтрацииалгоритмы обратного преобразования Фурье от спектра сигнала, представленного в ортогональном базисе, например по функциям Уолша, для формирования сигнала возбуждения АОМ.

При решении задач повышения параметров качества объемного изображения использовался аппарат теории множеств, математического анализа, численные методы.

Сжатие сигнала строки плоского сечения объемного изображения рассматривалось в свете теории сигналов, математической статистики и аппарата теории вероятности.

Подтверждение результатов теоретических исследований получено путем моделирования на ЭВМ при помощи прикладных пакетов MathCAD, MicroCAP, PSPISE, а также на основе экспериментальной проверки. Для программной обработки результатов использовались языки программирования DELPHI и ASSEMBLER.

Научная новизна. Определяется кругом поставленных задач, методами их решения и полученными результатами.

Основными научными результатами работы являются следующие: -получена обобщенная формула для факторизации матрицы Уолша-Пэли, разработаны алгоритмы факторизации и выполнена оценка их быстродействия;

— оценены возможности сжатия сигнала строки плоского сечения объемного изображения применительно к объемной картине радиолокационной обстановки в районе крупного аэропортаполучены выражения для обратного преобразования Фурье от систем дискретных и непрерывных функций Уолша-Пэли и Уолша-Адамара- -разработан алгоритм восстановления сигнала по модулю его спектра, заданного разложением в одном из базисов Уолша;

— разработано программное обеспечение для формирования и редактирования объемных изображений и обеспечения работы объемного дисплея.

Полученные в диссертационной работе обобщенный метод факторизации матрицы Уолша-Пэли, а также метод обратного преобразования Фурье от систем дискретных и непрерывных функций Уолша имеют и самостоятельное научное значение. Эти результаты могут использоваться при построении различных радиотехнических систем и систем передачи и кодирования информации.

Практическая значимость работы. В диссертационной работе исследованы возможности совершенствования радиоэлектронных блоков и программного обеспечения для объемного индикатора кругового обзора PJTC, оказывающие влияние на качество объемного изображения.

Полученные в работе методы факторизации и обратного преобразования Фурье сигналов позволяют разрабатывать программное и аппаратное обеспечение для формирования объемного изображения в реальном времени.

Статистическая оценка возможностей сжатия сигнала строки плоского изображения объемного изображения позволяет существенно уменьшить объем информации о трехмерном изображении и тем самым оптимизировать передаточную характеристику тракта возбуждения АОМ для предотвращения информационных потерь в изображении и пробоя акустооптической ячейки, а также упростить практическую реализацию канала связи между управляющим компьютером и объемным дисплеем.

Разработанное программное обеспечение для формирования и редактирования объемных изображений может быть использовано для широкого круга устройств объемного видения.

Использование в системах визуализации объемных изображений алгоритмов, положенных в основу работы экспериментального образца устройства формирования монохроматических объемных изображений позволяет улучшить качество изображений, в частности в индикаторах радиолокационных станций.

Результаты экспериментальных исследований образца объемного дисплея могут быть использованы для разработки более совершенных устройств формирования объемных изображений.

Внедрение результатов работы. Основные результаты работы были получены в процессе выполнения хоздоговорных и госбюджетных НИР в 1998 — 2001 годах на кафедре РЭС.

Материалы диссертации (теоретические и практические разработки) использованы в научных разработках кафедры, учебном процессе, в АО ТЕХНОПРОЕКТ.

Аппробация работы. Основные теоретические и практические положения работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: 2-ой Международной научно-технической конференции «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика», Рязань, 1998; 2-ой Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов стран СНГ «ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ СВЯЗИ», Санкт-Петербург, 2000; и конференциях профессорского — преподавательского состава ЭТУ (ЛЭТИ) B1997;2000 г.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 4 печатных научных работах, в числе которых 2 статьи и 2 тезисов докладов на международной конференции.

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений.

Основные результаты работы изложены в печатных работах автора /57,58/, в отчетах по НИР кафедры РЭС ЭТУ за 1998;2001г., а также докладывались автором на двух международных конференциях /56,59/ и конференциях профессорско-преподавательского состава ЭТУ в 1999;2001г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные результаты, полученные в диссертационной работе можно сформулировать следующим образом:

1. Получена обобщенная формула для факторизации матрицы при разложении яркостной картины строки сечения объемного изображения в ряд Уолша-Пэли;

2. На основании обобщенной формулы предложено семейство эффективных алгоритмов факторизации матрицы Уолша-Пэли и выполнена оценка их быстродействия. Разработаны и отлажены в среде MathCAD программы для выполнения прямого и обратного преобразований Уолша, в которых реализованы предложенные алгоритмы.

3. С помощью математического эксперимента оценена возможность сжатия сигнала строки сечения объемного изображения радиолокационной обстановки при представлении яркостной картины одним из рядов по функциям Уолша;

4. Получены обобщенные выражения для временных функций, спектр которых представляется дискретными и непрерывными функциями Уолша различного порядка в виде, удобном для алгоритмической и аппаратной реализации.

5. Разработан экономичный метод восстановления сигнала по модулю его спектра, заданного разложением по дискретным или непрерывным функциям Уолша. На основании выведенных соотношений, предложена экономичная аппаратная реализация генератора функций, представляющих ОПФ от функций Уолша любого порядка.

6. Предложен аппаратно-программный комплекс, осуществляющий в реальном времени процедуру синтеза сигнала возбуждения АОМ по его амплитудному спектру, представленному коэффициентами разложения в ряд Уолша-Пэли.

7. Разработаны алгоритмы синтеза объемного изображения по двум близким двумерным угловым ракурсам и алгоритмы синтеза объемного изображения по трем ортогональным двумерным угловым ракурсам, которые позволяют использовать объемный индикатор в медицинских ультразвуковых и рентгеновских томографах.

8. Разработан и отлажен пакет программ синтеза и визуализации объемных изображений, использовавшийся в экспериментальном индикаторе.

9. Спроектирован, изготовлен и экспериментально исследован макет объемного дисплея, который можно использовать как индикатор для радиолокационной станции, либо в качестве видеомонитора в медицинских ультразвуковых и рентгеновских томографах.

Успешное выполнение работы позволяет уже в настоящее время внедрить полученные результаты в ряд новых образцов разрабатываемых радиолокационных станций и медицинских томографов.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность научным руководителям работы профессору Головкову А. А. и доценту Кузнецову С. В., аспиранту Похвалину А. А. и всем сотрудникам кафедры радиоэлектронных средств Государственного Электротехнического универститета г. Санкт-Петербурга за помощь при выполнении теоретической части работы и при экспериментальных исследованиях.