Застосування сплайн–інтерполяції до підвищення точності кореляційно-екстремальних систем навігації

  • В.М. Биков Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-5114-7868
  • М.М. Колчигін Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-5018-1060
  • Г. Ю. Мірошник Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна
  • Т. В. Мірошник Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна
  • О. М. Сотніков Харківський національний університет повітряних сил імені Івана Кожедуба https://orcid.org/0000-0001-7303-0401
Ключові слова: кореляційно-екстремальні системи навігації, поточне зображення, еталонне зображення, вирішальна функція, високороздільний інтерполяційний кубічний сплайн

Анотація

Актуальність: Сплайн–інтерполяція застосовується для підвищення точності кореляційно-екстремальних систем навігації. Запропоновано двухетапний алгоритм суміщення зображень в кореляційно-екстремальних системах навігації. На першому етапі будується поверхня вирішальної функції алгоритму в околиці її екстремуму за допомогою квадратичного інтерполятора по шести точках і оцінюються її гаусова кривизна і координати екстремуму. Ці параметри використовуються для визначення оптимального значення параметра кубічного сплайн–інтерполятора, який використовується на другому етапі з метою уточнення грубої оцінки координат і підвищення точності визначення місцезнаходження системи навігації.

Метою роботи є: Розробка алгоритму суміщення зображень в кореляційно-екстремальних системах навігації, що дозволяє реалізувати близьке до оптимального значення параметру кубічного сплайну для кожного з можливих зрушень поточного зображення щодо еталонного зображення і в результаті підвищити точність визначення координат.

Матеріали та методи: У кореляційно-екстремальних системах навігації визначення координат літального апарату здійснюється шляхом обчислення взаємного зсуву поточного зображення, отриманого за допомогою датчика фізичного поля Землі, і еталонного зображення, відомого заздалегідь. При цьому точність суміщення дискретних поточного і еталонного зображення, які зазвичай використовуються на практиці, не перевищує половини пікселя. Одним з можливих шляхів вирішення проблеми підвищення точності систем навігації є застосування методів наближення вирішальної функції алгоритму суміщення зображень в околиці її глобального екстремуму.

Результати: Для ілюстрації виграшу в точності визначення місцезнаходження системи навігації були проведені статистичні випробування алгоритму з інтерполятором по шести точках і вищеописаної двоетапної процедури мінімізації вирішальної функції, що містить сплайн–інтерполяцію на другому етапі. В якості еталонного зображення використовувалося типове зображення. Координати центру поточного і еталонного зображень  розігруються випадковим чином відповідно до двовимірного нормального закону розподілу, середнє значення якого збігається з центром еталонного зображення, знаходиться також середньоквадратичне відхилення. Потім формується поточне зображення по деяким значенням еталонного зображення. Побудоване таки чином поточне зображення зашумляють адитивним білим гаусівським шумом з нульовим середнім значенням і однаковим для кожного елемента середньоквадратичним відхиленням, що виражається в одиницях яскравості зображення. Поєднання зображень є правильним, якщо виконуються умови: , де  – оцінка зсуву, яка формується алгоритмом. Далі здійснювався багаторазовий запуск алгоритмів з різними реалізаціями шумової компоненти поточного зображення і будуються залежності середньоквадратичної помилки по кожному напрямку від середньоквадратичного значення , тобто .На малюнках, приведених в статті, наведено залежності  для алгоритму з інтерполятором по 6 точках (верхня крива) і для двоетапного алгоритму (нижня крива). Аналіз графіків дозволяє зробити висновок про те, що другий алгоритм виграє в точності визначення координат зсуву приблизно в 5 разів. Залежності для обох алгоритмів практично збігаються з представленими на малюнку. Слід зазначити слабку залежність точності визначення місцезнаходження від зміни параметра  в області .

Висновки: Показано, що оптимальне значення параметру кубічного сплайн-інтерполятора в меншій мірі залежить від величини локального зсуву зображень і в найбільшій мірі від інтервалу кореляції еталонного зображення довкілля точки суміщення зображень, який запропоновано оцінювати за допомогою параметра гаусової кривизни.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Біографії авторів

В.М. Биков, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

майдан Свободи 4, Харків, 61022, Україна

М.М. Колчигін, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

майдан Свободи 4, Харків, 61022, Україна

Г. Ю. Мірошник, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

майдан Свободи 4, Харків, 61022, Україна

Т. В. Мірошник, Харківський національний університет імені В. Н. Каразіна

майдан Свободи 4, Харків, 61022, Україна

О. М. Сотніков, Харківський національний університет повітряних сил імені Івана Кожедуба

вул. Клочківська 228, Харків, 61045, Ukraine

Посилання

1. Gruzman IS, Kirichuk VS, Kosykh VP, and other. Digital image processing in information systems. Tutorial. Novosibirsk: Publishing house of NSTU; 2000. 168 p. (In Russian).
2. Antyufeev VI, Bakulin IE, Bykov VN, Grichanyuk AM, Miroshnik-Bykova TV. Improving the positioning accuracy of radiometric correlation-extreme navigation systems by using methods of approximation of the decisive function. (Message 1). Radio engineering: Vseukr. mezhved. scientific and technical Sat. 2002;124:84-89. (In Russian).
3. Keys RG. Cubic convolution interpolation for Digital Image Processing. IEEE Trans. Acoust., Speech, Signal Processing. 1981;29(6):1153-1160.
4. Dubrovin BA, Novikov SP, Fomenko AT. Modern geometry. Moscow: Nauka; 1979. 760 p. (In Russian).
5. Poliak E. Numerical optimization methods. One approach. Moscow: Mir; 1974. 376 p. (In Russian).
6. Jahne B. Digital Image Processing: Concepts, Algorithms, and Scientific Applications. Berlin: Springer-Verlag; 1993.
7. Antyufeev VI, Bykov VN, Chmil VV. Probability of correct alignment of images in correlation-extreme navigation systems. Radio engineering: Vseukr. mezhved. scientific and technical Sat. 2005;140:70-75.
Опубліковано
2021-12-29
Цитовано
Як цитувати
Биков, В., Колчигін, М., Мірошник, Г. Ю., Мірошник, Т. В., & Сотніков, О. М. (2021). Застосування сплайн–інтерполяції до підвищення точності кореляційно-екстремальних систем навігації. Вісник Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна. Серія «Радіофізика та електроніка», (35), 7-14. https://doi.org/10.26565/2311-0872-2021-35-01