TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT

Transkrypt

1 TRANSCOMP XIV INTERNATIONAL CONFERENCE COMPUTER SYSTEMS AIDED SCIENCE, INDUSTRY AND TRANSPORT Tomsz PRACZYK 1 Nwigj rdrow, Automtyzj nwigji EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH Z OBRAZU RADAROWEGO Artyuł przedstwi onepję utomtyznego systemu nwigji rdrowej, supiją się n elemenie systemu odpowiedzilnym z estrję puntów hrterystyznyh występująyh n orzie rdrowym. Zprezentowno lgorytm estrji puntów tŝe przedstwiono rezultty esperymentów mjąyh n elu weryfiję jego suteznośi. EXTRACTING CHARACTERISTIC POINTS FROM RADAR IMAGE The pper presents the onept of utomti rdr nvigtionl system prtiulrly fousing on the element of the system responsile for extrtion of hrteristi points from rdr imge. Moreover, the detiled lgorithm for point extrtion nd results of the reserh whose gol ws to test effetiveness of the lgorithm were inluded in the pper. 1. WSTĘP W osttnih lth pozyjonownie w nwigji zostło zdominowne przez systemy stelitrne, w tym szzególnie GPS. Systemy te są wyorzystywne zrówno n morzu (nwigj mors), w powietrzu (nwigj lotniz), j i n ziemi (nwigj lądow). Opiernie się wyłąznie n systemh stelitrnyh niesie jedn zgroŝenie ngłej utrty informji nwigyjnej w wypdu wrii tiego systemu, jego wyłązeni, ewentulnie złóeni lu zodowni sygnłu doierjąego do uŝytowni. Wyni stąd oniezność dysponowni jeszze innym, utonomiznym (niezleŝnym od zewnętrznyh źródeł informji) systemem umoŝliwijąym oreślenie pozyji w sposó utomtyzny. Potrze t dotyzy szzególnie orętów Mrynri Wojennej, tóre powinny yć w stnie spełnić powierzone im zdni nwet w sytuji ru dostępu do informji nwigyjnej w normlnyh wrunh pozysiwnej z systemu GPS lu innyh systemów rdionwigyjnyh o hrterze glolnym. W rtyule zprezentowno onepje Automtyznego Systemu Nwigji Rdrowej (ASNR) tóry moŝe stnowić lterntywę dl systemu GPS w przypdu iedy wyorzystnie tego osttniego jest z jiś względów niemoŝliwe. Opróz onepji łego systemu przedstwiono równieŝ szzegółowy lgorytm dziłni jednego z podsystemów 1 Instytut Uzrojeni Orętowego, Ademi Mrynri Wojennej, t.przy@mw.gdyni.pl

2 80 Tomsz PRACZYK ASNR: podsystemu estrji puntów hrterystyznyh. Sutezność lgorytmu zostł sprwdzon esperymentlnie wynii testów przedstwiono w ońowym frgmenie rtyułu.. KONCEPCJA AUTOMATYCZNEGO SYSTEMU NAWIGACJI RADAROWEJ Shemt ASNR przedstwiony zostł n Rys.1. System słd się z rdru, podsystemu pozysiwni orzu, podsystemu wyznzni puntów hrterystyznyh, podsystemu identyfiji puntów hrterystyznyh orz podsystemu pozyjonująego. Zdniem podsystemu pozysiwni orzu jest odzytnie orzu rdrowego z rdru orz przeznie go dlej w posti yfrowej. Dodtową funją tego podsystemu jest usunięie z orzu niewielih eh pohodząyh od poruszjąyh się jednoste. W tym elu podsystem ten powinien śledzić n ieŝąo ndhodząe z rdru orzy t y ył w stnie odróŝnić oiety stłe od oietów w ruhu. Rdr Orz rdrowy Podsystem pozysiwni orzu Orz rdrowy Podsystem wyznzni puntów hrterystyznyh Wetor puntów Podsystem identyfiji puntów hrterystyznyh Współrzędne puntów Podsystem pozyjonująy ϕ λ Rys.1. Shemt ASNR Jedną z moŝliwyh tehni, tórą moŝn zstosowć w elu usunięi z orzu niepotrzenyh eh poruszjąyh się jednoste jest sumownie wielu orzów rdrowyh z tej smej pozyji (zrejestrownyh w niewielih odstęph zsu, nsz jednost musi wtedy pozostwć w miejsu lu poruszć się rdzo powoli) [1][3][4]. Dodnie orzów do sieie spowoduje, Ŝe orz wyniowy zwierł ędzie łą trsę Ŝdej jednosti zmienijąej połoŝenie. Jsność piseli odpowidjąyh poruszjąej się jednoste ędzie jedn mniejsz niŝ jsność piseli reprezentująyh stłe elementy wenu oene n orzie płwy, ląd, jednosti stojąe w miejsu. Słe eh moŝemy nstępnie usunąć poprzez zstosownie prostego filtru progowego [1][3], tóry zgsi wszystie pisele o jsnośi mniejszej od zdnego progu. Niestety odnosi się to zrówno do piseli odpowidjąyh ehom, tóryh hemy się pozyć j równieŝ piseli pohodząyh od stłyh elementów wenu djąyh sło eho rdrowe. Eliminujemy w ten sposó yć moŝe frgmenty orzu istotne z puntu widzeni dlszego przetwrzni.

3 EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH Pierwszym zdniem podsystemu estrji puntów hrterystyznyh jest przygotownie pewnej lizy egzemplrzy zrejestrownego orzu rdrowego esponująyh inne elementy orzu. Powinny to yć np. orzy zwierjąe tylo njjsrwsze punty oryginlnego orzu, orzy zwierjąe wyłąznie linię rzegową lu orzy pozwione tej linii zwierjąe tylo eh młyh nie poruszjąyh się oietów tih j np. płwy. Celem tiej operji jest z jednej strony uproszzenie olizeń w olejnej fzie przetwrzni tj. w fzie identyfiji puntów hrterystyznyh, tŝe zwięszenie wirygodnośi dziłni systemu. Złd się, Ŝe Ŝdy z wygenerownyh orzów ędzie zwierł mniejszą lizę puntów hrterystyznyh niŝ oryginlny orz uzysny z podsystemu pozysiwni orzu. Mniejsz liz puntów przyjętyh w olizenih w ozywisty sposó ułtwi zdnie podsystemowi identyfiji puntów hrterystyznyh. Pondto identyfij puntów dl orzów zwierjąyh inne elementy moŝe przeiegć oddzielnie i yć relizown przez oddzielne systemy identyfiji. To z olei d moŝliwość olizeń równoległyh ogrnizjąyh zs olizeń w fzie identyfiji. Istotn jest równieŝ poprw wirygodnośi pozyji wyznzonej przez system w przypdu pozyjonowni w opriu o róŝne orzy rdrowe. Wyznzenie lisih soie pozyji dl więszego zestwu orzów oznzło ędzie poprwną identyfiję puntów i duŝą pewność uninięi łędu gruego pozyji. DuŜe róŝnie w pozyji oznzły ędą ntomist młą wirygodność otrzymnyh wyniów. Kolejnym roiem w proesie wyznzeni pozyji jest estrj puntów hrterystyznyh znjdująyh się n Ŝdym z przygotownyh orzów. Czynność t wyonywn równieŝ przez podsystem estrji puntów hrterystyznyh jest opisn dołdnie w dlszej zęśi rtyułu. Wyznzone punty stnowią dną wejśiową do podsystemu identyfiji puntów hrterystyznyh. Zdniem tego podsystemu jest identyfij puntów hrterystyznyh, zyli przyporządownie Ŝdemu z nih dołdnej pozyji. Osttnim etpem olizeń jest uŝyie trdyyjnyh metod nwigyjnyh w elu oreśleni przyliŝonej pozyji jednosti. Funj t spełnin jest przez podsystem pozyjonująy. 3. GŁÓWNY NAGŁÓWEK Wyznzenie puntów hrterystyznyh występująyh n orzie rdrowym wymg wyonni szeregu zynnośi. Pierwszą z nih jest przedstwienie rozwŝnego orzu rdrowego w posti tzw. rintu onturowego w odwróonym ułdzie iegunowym współrzędnyh [1][]. Dołdne przedstwienie lgorytmu estrji puntów hrterystyznyh z orzu rdrowego wymg strnnego zdefiniowni tegoŝ rintu. Ay tego doonć nleŝy njpierw zdefiniowć sm orz. Przyjmijmy, Ŝe orzem nlogowym monohromtyznym ędziemy nzywć nstępująą funję L (x,y)[1]: L : O R gdzie O jest ziorem puntów P (x,y) tim Ŝe:

4 804 Tomsz PRACZYK { y) R : x < 0, N >, y < 0 > } O, M N, M Ν oreślją wielość orzu. Orz yfrowy moŝemy zdefiniowć jo funję L (n,m): L : O Ν gdzie O O jest ziorem puntów P i (n,m) tim Ŝe i 0,1..,N*M-1 orz {( n, m) Ν : n < 0, N >, m < 0 > } O, M ZłóŜmy dodtowo, Ŝe lizy oreśljąe wielość orzu N i M przyjmują wrtośi nieprzyste wię dl Ŝdego orzu moŝemy oreślić punt entrlny P o (n o,m o ) ti, Ŝe: n o N 1 M 1, mo Zrówno orz nlogowy j i orz yfrowy moŝemy przedstwić w iegunowym ułdzie współrzędnyh, dl tórego Ŝdy punt orzu P(x,y) jest oreślony przez nmir NR (ąt pomiędzy ieruniem półnonym zgodnym z osią OY rtezjńsiego ułdu współrzędnyh półosią poprowdzoną ze środ orzu tj. z puntu P o, do rozwŝnego puntu P(x,y)) orz odległość d P o P. Istnieje moŝliwość przehodzeni z reprezentji iegunowej orzu do rtezjńsiego ułdu współrzędnyh. Pomijją zędne szzegóły moŝemy w tym miejsu przyjąć nstępująe funje przejśi z ułdu rtezjńsiego do ułdu iegunowego i w drugą stronę. x f NR f NR y), d f d y) ( NR, d ), y f ( NR d ) x, y O x y,, - dl orzu nlogowego Ay oreślić funję przejśi pomiędzy ułdem iegunowym ułdem rtezjńsim dl orzu yfrowego potrzene jest zdefiniownie funji przyporządowująej Ŝdemu puntowi orzu nlogowego odpowidjąy mu puntu orzu yfrowego. f P f P : O O ( P ) rg min P P P O Ostteznie otrzymujemy funję przejśi pomiędzy ułdem iegunowym ułdem rtezjńsim dl orzu yfrowego:

5 EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH ( ) ( n, m) f f ( NR, d ), f ( NR d ) P x y, Kontynuują definiownie rintu onturowego nleŝy oreślić dl Ŝdego z orzów ziór puntów tyhŝe orzów leŝąyh n nmirze NR, zyli D ( NR) O orz D ( NR) O. D D ( NR) { y) O : f NR y) NR} ( NR) {( n, m) O : ( n, m) f ( P ), P D ( NR )} Nstępnie zdefiniujmy ziór D ( NR) D ( NR) leŝąyh n nmirze NR. D W P W widoznyh puntów orzu yfrowego ( NR) { P D ( NR) : L ( P ) > 0} Ostteznie rint onturowy d g ( NR) sposó: moŝe zostć zdefiniowny w nstępująy g ( NR) ( NR) A if DW o min P P w innym przypdu P DW ( NR) (1) Dl uproszzeni moŝemy go równieŝ zpisć w nstępująy sposó: g ( ) P W A o min P P D ( NR ) if D W ( NR ) w innym przypdu 0,1,..,( N + M ) 4 () gdzie f ( P ) NR jest nmirem n -ty punt rzegowy orzu, NR {( n, m) n N m M} P, D : oznz indes puntu rzegowego w uporządownym iągu puntów rzegowyh. Uporządownie puntów rzegowyh definiuje funj porządują, tór oreśl pierwszy punt iągu puntów rzegowyh orz Ŝdemu puntowi rzegowemu orzu P, przyporządowuje nstępni tego puntu - P 1, +. Funj t moŝe wyglądć np. w nstępująy sposó: ( n, m + 1) ( n + 1, m ) ( n, m 1) dl ( n 1, m ) dl dl 0,1,.., M 1 dl M,.., M + N P, + 1 f ( P, ) n0 0, m0 0 M + N 1,.., M + N 3 M + N,..,( M + N) 4

6 806 Tomsz PRACZYK Dl funji () oreśljąej rint onturowy dl orzu yfrowego moŝemy z olei zdefiniowć funję g I ( x) oreśloną nie n indesh uporządownyh puntów rzegowyh le n ziorze I R, I { x : x < 0,( N + M ) 4 >, x R}, tą Ŝe I g ( x) g ( ) dl x. Funj t definiuje rint onturowy dl orzu nlogowego. Proponown metod estrji puntów hrterystyznyh z orzu rdrowego ) x,σ zdefiniownej poniŝej: poleg n nlizie drugiej pohodnej funji g I ( ) ( N + M ) 1 g, 0 ( N + ) 1 0 ( ) ϕ ) I g( x (3) ϕ ϕ ( x ( x ) σ, e Drug pohodn funji (3) przy wprowdzeniu dodtowyh oznzeń ułtwijąyh jej zpis wygląd nstępująo: m p h n r ( N + M ) 1 0 g ( ) ϕ e dr d r ( N + M ) 1 0 ( N + M ) 1 g 0 ( N + M ) 1 0 ϕ de x σ x x, σ σ ( ) ϕ ϕ ( ) ( N + M ) 1 ( ) ( ) x 1 g ϕ x, σ 0 σ σ ( N + M ) 1 d e ( ) x 1 ϕ x, σ 0 σ σ ) I d g ( ) ( me rn) e ( pe rh) eh z x, σ 4 e ) I d g σ dl ustlonego σ w 0,1,.., N + M nstępnie odszunie tih, dl tóryh: Dziłnie lgorytmu poleg n wyznzeniu z ) punth ( ) 4

7 EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH ( ) A z( ) > λ z( ) > z( 1) z( ) z( + 1) g inv (4) gdzie λ jest prmetrem lgorytmu pozwljąym n segregownie łego zioru potenjlnyh puntów hrterystyznyh n grupę puntów wyrzistyh (dorze widoznyh) zyli tih dl tóryh z ( ) > λ orz sło wyróŝnilnyh dl tóryh z ( ) λ. Innym prmetrem lgorytmu jest współzynni σ umoŝliwijąy eliminję z )I g niewielih pofłdowń funji mogąyh generowć niepotrzenie duŝą lizę puntów hrterystyznyh. Ztem prmetr λ usuw z listy puntów hrterystyznyh punty mło wyrziste ntomist współzynni σ zpoieg ih generowniu. Ostteznie jeśli ziór puntów rzegowyh spełnijąyh wrune (4) oznzymy przez K to punty: (n, m) ( ( ) ( )) f P f x NR, g ( ), f y NR, g ( ), K są puntmi hrterystyznymi orzu. ) ) ) d) Rys.. Inwrint onturowy orzu rdrowego orz jego odpowiednii wyznzone )I I zgodnie z (3): () rint onturowy, () g) dl σ0.1, () g dl σ1, (d) )I dl σ10 g

8 808 Tomsz PRACZYK 4. BADANIA EKSPERYMENTALNE Metod estrji puntów hrterystyznyh zprezentown powyŝej przetestown zostł w opriu o przyłdowy orz rdrowy pohodząy z rejonu Ztoi Gdńsiej. N rysunh, 3 i 4 przedstwiono uzysne wynii. W wyniu przeprowdzonyh testów stwierdzono, Ŝe luzowym elementem metody jest odpowiedni doór wrtośi prmetrów σ orz λ. ZuwŜono, Ŝe przy zyt duŝyh wrtośih σ prtyznie przy σ > 1, metod m tendenje do łązeni lisih soie puntów hrterystyznyh w jeden punt orz przesuwni puntów występująyh n lądzie. Z tego względu uznno, Ŝe njlepszym rozwiązniem jest zmroŝenie wrtośi prmetru σ n nisim poziomie osylująym woół wrtośi 0.1 zdnie ostteznego wyoru puntów hrterystyznyh pozostwienie uŝytowniowi poprzez regulję współzynni λ. ) ) ) Rys.3. Drugie pohodne rintów onturowyh: () z() dl σ0.1, () z() dl σ1, () z() dl σ10 Podsystem estrji puntów hrterystyznyh funjonująy zgodnie z zprezentowną metodą moŝe wyznzć punty hrterystyzne smodzielnie lu yć tylo elementem wspomgjąym opertor, tóry po wyznzeniu puntów przez podsystem doonywły ostteznej orety połoŝeni puntów. Dotyzy to sytuji, iedy niewieli oiet moŝe posidć więsze od puntowego eho rdrowe. W tim przypdu lgorytm zinterpretuje to eho jo oiet o więszyh rozmirh i przyporząduje mu więszą lizę puntów hrterystyznyh. W tih włśnie sytujh moŝe yć potrzen ingerenj uŝytowni systemu. Innym elementem, tóry mógły spełnić ontrolująą rolę jest system identyfiji puntów hrterystyznyh, tóry z grupy puntów musi wyrć te njrdziej psująe do puntów wzorowyh

9 EKSTRAKCJA PUNKTÓW CHARAKTERYSTYCZNYCH umieszzonyh w zie wiedzy nstępnie przezć te punty do podsystemu wyznzeni pozyji. ) ) ) d) e) f) g) Rys.4. Wynii esperymentów: () Oryginlny orz rdrowy, (-g) Orzy z puntmi hrterystyznymi wyznzonymi dl () σ0.1, λ0.01, () σ0.1, λ0.5, (d) σ1, λ0.1, (e) σ1, λ0.5, (f) σ10, λ0.01, (g) σ10, λ PODSUMOWANIE Artyuł przedstwi onepję ASNR supiją się n elemenie systemu odpowiedzilnym z estrję puntów hrterystyznyh z orzu rdrowego. W rtyule zprezentowno szzegółowy lgorytm estrji puntów hrterystyznyh tŝe wynii dń mjąyh n elu oenę jego suteznośi. Bdni pozły Ŝe przy odpowiednim doorze prmetrów, lgorytm potrfi w sposó łowiie ezłędny wyróŝnić z orzu rdrowego eh uŝytezne dl proesu wyznzni pozyji orętu.

10 810 Tomsz PRACZYK 6. BIBLIOGRAFIA [1] Kuhriew G., Przetwrznie i nliz orzów yfrowyh, Politehni Szzeińs, Szzein [] Sttezny A., Nwigj porównwz, Gdńsie Towrzystwo nuowe, Gdńs 001. [3] Sttezny A., Przy T., Sztuzne siei neuronowe w rozpoznwniu oietów morsih. Gdńsie Towrzystwo Nuowe 00. [4] Wi W., A omputtionl model for deteting imge hnges,