ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК УГЛА ПОЛОЖЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТЕЛЕСКОПА 3A-320M ПУЛКОВСКОЙ ОБСЕРВАТОРИИ
ÓÄÊ 522.25
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÄÀÒ×ÈÊ ÓÃËÀ ÏÎËÎÆÅÍÈß ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÎÃÎ ÒÅËÅÑÊÎÏÀ ÇÀ-320Ì ÏÓËÊÎÂÑÊÎÉ ÎÁÑÅÐÂÀÒÎÐÈÈ
© 2008 ã. © 2007 ã.
À. Â. Äåâÿòêèí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; È. À. Âåðåùàãèíà; À. Ï. Êóëèø; À. Â. Øóìàõåð; Â. Â. Êóïðèÿíîâ; À. Ñ. Áåõòåâà
Ãëàâíàÿ (Ïóëêîâñêàÿ) àñòðîíîìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: ver-iraida@yandex.ru, adev@gao.spb.ru
Èçëàãàåòñÿ ïðèíöèï ðàáîòû âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà çàäàííûé îáúåêò. Ïðèâîäèòñÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äàííîãî óñòðîéñòâà, à òàêæå ïîäðîáíî îïèñûâàåòñÿ àëãîðèòì, ïîçâîëÿþùèé ïî îïòè÷åñêèì èçîáðàæåíèÿì êîîðäèíàòíûõ øêàë, ïîëó÷àåìûõ ñ âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè, âîññòàíàâëèâàòü öèôðîâîé îòñ÷åò. Äàííàÿ ðàáîòà ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ãëàâíûõ ýòàïîâ ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé íà îäíîì èç òåëåñêîïîâ Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè, êîòîðàÿ êðàéíå íåîáõîäèìà äëÿ ðåøåíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ çàäà÷ íà ñîâðåìåííîì óðîâíå.
Êîäû OCIS: 230.0230, 100.0100, 100.2960.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 17.07.2007.
1. Ââåäåíèå
Ñîâðåìåííûå òåëåñêîïû íîâîãî ïîêîëåíèÿ, êàê ïðàâèëî, ÿâëÿþòñÿ ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííûìè. Îíè ñïîñîáíû ñàìè ïî çàäàííîé ïðîãðàììå ðåãèñòðèðîâàòü íåáåñíûå îáúåêòû, ïðè ýòîì ïðîöåññ ðåãèñòðàöèè ïðîèñõîäèò ñ ìèíèìàëüíûì ó÷àñòèåì èëè âîîáùå áåç ó÷àñòèÿ ÷åëîâåêà. Îäíàêî îãðîìíîå êîëè÷åñòâî òåëåñêîïîâ ïðåäûäóùåãî ïîêîëåíèÿ, òðåáóþùèõ íàâîäêè âðó÷íóþ, ïîïðåæíåìó íàõîäèòñÿ â ñòðîþ, ïðè÷åì ýòè èíñòðóìåíòû ÷àñòî ïî ñâîèì òåõíè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì ïðåâîñõîäÿò íîâûå. Ê èõ ÷èñëó îòíîñèòñÿ çåðêàëüíûé àñòðîãðàô ÇÀ-320Ì Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè. Äàííûé òåëåñêîï áûë ââåäåí â ñòðîé â 1997 ãîäó [1] è èìååò ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: îïòè÷åñêàÿ ñõåìà Êàññåãðåí, äèàìåòð ãëàâíîãî çåðêàëà 320 ìì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 3200 ìì. Èíñòðóìåíò îñíàùåí ÏÇÑ-êàìåðîé, ïîçâîëÿþùåé ïîëó÷àòü èçîáðàæåíèÿ çâåçä äî 19 çâåçäíîé âåëè÷èíû. Áîëåå äåòàëüíî î êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà äàííîãî òèïà ìîæíî ïðî÷èòàòü, íàïðèìåð, â [2, 3].
Òåì íå ìåíåå, àâòîìàòèçàöèÿ ïðîöåññà àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé íà èíñòðóìåíòàõ ñòàðîãî îáðàçöà áûëà áû î÷åíü æåëàòåëüíîé, òàê êàê ýòî ïîçâîëèëî áû ïîâûñèòü ïðîèçâîäèòåëüíîñòü òðóäà â äåñÿòêè ðàç. Èìåÿ â ñâîåì ðàñïîðÿæåíèè àâòîìàòèçèðîâàííûé òåëåñêîï, ìîæíî çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü êîëè÷åñòâî íàáëþäàåìûõ îáúåêòîâ çà îäíó íî÷ü, à òàêæå ÷èñëî ðåøàåìûõ ñ ïîìîùüþ äàííîãî èíñòðóìåíòà íàó÷íûõ çàäà÷. Ïîýòîìó áûëî ðåøåíî îñóùåñòâèòü ïîëíóþ àâòîìàòèçàöèþ ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì.
Ãëàâíîé ïðîáëåìîé íà ïóòè ê äîñòèæåíèþ äàííîé öåëè ÿâèëîñü òî, ÷òî äàííûé òåëåñêîï, êàê è
âñå èíñòðóìåíòû ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, äëÿ íàâåäåíèÿ òðóáû íà îáúåêò ïî äâóì íåáåñíûì êîîðäèíàòàì – ÷àñîâîìó óãëó (t) è ñêëîíåíèþ (δ) – èñïîëüçóåò øòàòíûå êðóãè, òî÷íîñòü êîòîðûõ íå ñîîòâåòñòâóåò òî÷íîñòè, òðåáóåìîé äëÿ ðåøåíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ çàäà÷ íà ñîâðåìåííîì óðîâíå. Ïîýòîìó âîçíèêëà íåîáõîäèìîñòü â îñíàùåíèè òåëåñêîïà äîïîëíèòåëüíûìè îïòè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, íàçâàííûìè âèäåîîòñ÷åòíûìè. Äàííûå óñòðîéñòâà äàþò âîçìîæíîñòü ïðîöåññ íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà îáúåêò îñóùåñòâëÿòü â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå. Ñîçäàíèå òàêîé ñèñòåìû íàâåäåíèÿ ÿâèëîñü ïåðâûì øàãîì íà ïóòè ê àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì.
2. Îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà
Îáùèé âèä çåðêàëüíîãî àñòðîãðàôà ÇÀ-320Ì ïðèâåäåí íà ðèñ. 1, ãäå 1 – ãëàâíàÿ êîëîííà òåëåñêîïà, 2 è 4 – îñè ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî, 6 – ïðîòèâîâåñ, 3 è 5 – ñîçäàííûå íàìè âèäåîîòñ÷åòíûå óñòðîéñòâà äëÿ äâóõ îñåé – ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ. Äàííûå óñòðîéñòâà äëÿ îáåèõ îñåé ÿâëÿþòñÿ èäåíòè÷íûìè.
Îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Ñîñòîèò îíà èç ÷åòûðåõ ýëåìåíòîâ: îñâåòèòåëÿ 1, ñòåêëÿííîãî ëèìáà 2, ìèêðîîáúåêòèâà 3, ÏÇÑ-êàìåðû 4. Ñòåêëÿííûé ëèìá îò òåîäîëèòà ïðåäíàçíà÷åí äëÿ áîëåå òî÷íîãî íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà îáúåêò. Åñëè øòàòíûå êðóãè îáåñïå÷èâàþò òî÷íîñòü íàâåäåíèÿ äî 3′ [2], òî çäåñü ìû èìååì äåëî ñ òî÷íîñòüþ, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü äîâåäåíà äî ñîòûõ äîëåé óãëîâîé ñåêóíäû, êàê ýòî äåëàëîñü â ìåðèäèàííîé àñòðîìåòðèè, êîãäà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
73
2 3
45 6
1
Ðèñ. 1. Îáùèé âèä òåëåñêîïà ÇÀ-320ì. Ïîÿñíåíèÿ ñì. â òåêñòå.
ïîäâèæêó âäîëü îïòè÷åñêîé îñè îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè èçîáðàæåíèÿ â ïðåäåëàõ ± 2 ìì îò íîìèíàëà ñ òî÷íîñòüþ 0,1 ìì. Âìåñòå ñ òåì, îí, êàê åäèíîå öåëîå ñ ÏÇÑ-êàìåðîé, èìååò ïîäâèæêè âäîëü îïòè÷åñêîé îñè â ïðåäåëàõ ± 2 ìì äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ðåçêîãî èçîáðàæåíèÿ øêàëû ëèìáà íà ÏÇÑ-ìàòðèöå è þñòèðîâî÷íûå ïîäâèæêè ïîïåðåê è âäîëü ðàäèóñà ëèìáà äëÿ óñòàíîâêè ðàñ÷åòíîãî ðàññòîÿíèÿ. ÏÇÑêàìåðà 4 èìååò ñâîè ïîâîðîòû âîêðóã îïòè÷åñêîé îñè ìèêðîîáúåêòèâà äëÿ óñòàíîâêè èçîáðàæåíèÿ øòðèõîâ ëèìáà ïàðàëëåëüíî ñòîëáöàì ìàòðèöû. Êîíòðîëü ýòèõ þñòèðîâî÷íûõ ïîäâèæåê îñóùåñòâëÿåòñÿ âèçóàëüíî ïî èçîáðàæåíèÿì íà äèñïëåå êîìïüþòåðà.
Öèôðàìè 5 è 6 íà ðèñóíêå 2 îáîçíà÷åíû ïëîñêîñòè øòðèõîâ ëèìáà è èçîáðàæåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî.
2,7 ìì
3,64 ìì
123
4 6
1,6 ìì
5
Ðèñ. 2. Ïðèíöèïèàëüíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà. Ïîÿñíåíèÿ ñì. â òåêñòå.
ïðèìåíÿëèñü áîëåå êðóïíûå ïî ðàçìåðàì ëèìáû, îøèáêè øòðèõîâ êîòîðûõ èññëåäîâàëèñü è îïðåäåëÿëèñü â [14].
Ëèìá èìååò îöèôðîâêó ÷åðåç 1° è äâîéíûå øòðèõè ÷åðåç êàæäûå 20′. Íà ðèñ. 2 ñëåâà ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíî òèïè÷íîå èçîáðàæåíèå ó÷àñòêà ëèìáà â ïîëå çðåíèÿ ÏÇÑ-êàìåðû. Ëèìá æåñòêî ïîñàæåí íà îñü òåëåñêîïà. Ñèñòåìà îñâåòèòåëü–ìèêðîîáúåêòèâ– ÏÇÑ-êàìåðà ÿâëÿåòñÿ îòñ÷åòíîé ñèñòåìîé. Îíà çàêðåïëåíà íà îáùåì äåðæàòåëå, êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, æåñòêî ñâÿçàí ñ íåïîäâèæíûì êîðïóñîì ñîîòâåòñòâóþùåé îñè òåëåñêîïà. Ýëåìåíòû îòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà ñîîñíû. Îïòè÷åñêàÿ îñü ýòîé ñèñòåìû ïàðàëëåëüíà îñè âðàùåíèÿ ëèìáà è ïåðïåíäèêóëÿðíà åãî ïëîñêîñòè.
Îñâåòèòåëü 1 ïîäñâå÷èâàåò íà ëèìáå 2 ó÷àñòîê ñî øòðèõàìè, ýëåìåíò êîòîðîãî ðàçìåðîì 1,3×1,1 ìì (ïÿòü ïðîìåæóòêîâ ìåæäó øòðèõàìè) ïðîåöèðóåòñÿ ìèêðîîáúåêòèâîì 3 ñ óâåëè÷åíèåì 2,8× â ïëîñêîñòü ÏÇÑ-ìàòðèöû 4. Îñâåòèòåëü èìååò óñòàíîâî÷íûå ïîäâèæêè âäîëü îïòè÷åñêîé îñè â ïðåäåëàõ ± 1,5 ìì. Êîíòðîëü ðàâíîìåðíîñòè îñâåùåíèÿ ïðîâîäèòñÿ âèçóàëüíî ïî èçîáðàæåíèþ íà äèñïëåå êîìïüþòåðà. Ìèêðîîáúåêòèâ 3 èìååò ôîêóñèðîâî÷íóþ
3. Îïðåäåëåíèå ïîëîæåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà
Òåêóùåå ïîëîæåíèå òðóáû òåëåñêîïà îïðåäåëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ èçîáðàæåíèé ñ äâóõ ëèìáîâ – ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïðîöåññà íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà çàäàííûé îáúåêò â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå íåîáõîäèìî àâòîìàòè÷åñêè ðàñïîçíàâàòü öèôðîâûå îòñ÷åòû íà äàííûõ èçîáðàæåíèÿõ. Äëÿ ýòîãî èçîáðàæåíèå ñ ÏÇÑìàòðèöû çàõâàòûâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ âèäåîäðàéâåðîâ â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè è ïåðåäàåòñÿ íà âõîä êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììû â âèäå ãðàôè÷åñêèõ ôàéëîâ â ñòàíäàðòíîì ôîðìàòå. Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê ïîëó÷åíèþ öèôðîâîãî îòñ÷åòà ñ ãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ øêàëû ëèìáà.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî çàäà÷à ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ íå ÿâëÿåòñÿ íîâîé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò íåìàëî ðàçëè÷íûõ ïðîãðàìì, ïîçâîëÿþùèõ ðàñïîçíàâàòü èçîáðàæåíèÿ [4–13]. Ê ÷èñëó ñàìûõ èçâåñòíûõ èç íèõ îòíîñèòñÿ, íàïðèìåð, Fine Reader – î÷åíü ïîïóëÿðíàÿ ïðîãðàììà äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ áóêâ è öèôð íà ãðàôè÷åñêîì èçîáðàæåíèè.  ïîñëåäíåå âðåìÿ îñîáåííî àêòèâíî ðàçâèâàåòñÿ ñïîñîá ðåøåíèÿ äàííîé çàäà÷è ñ ïîìîùüþ íåéðîííûõ ñåòåé [6–13]. Îäíàêî ïîïûòêà ïðèìåíèòü óæå ñóùåñòâóþùèå ïðîãðàììû ê íàøåé çàäà÷å îêàçàëàñü íåóäà÷íîé. Äåëî â òîì, ÷òî âî âñåõ ñóùåñòâóþùèõ â äîñòóïíîì âèäå ïðîãðàììíûõ ïàêåòàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ, äåëàåòñÿ óïîð íà óíèâåðñàëüíîñòü: ðåøàåòñÿ îáùàÿ çàäà÷à îïðåäåëåíèÿ è ðàñïîçíàâàíèÿ ñèìâîëà âïëîòü äî ïðèíàäëåæíîñòè áóêâ ê ðàçíûì àëôàâèòàì. Ðàçóìååòñÿ, óíèâåðñàëüíîñòü äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò ïðîãðàììíûõ ðåñóðñîâ. À â íàøåì ñëó÷àå òðåáóåòñÿ ïðîñòîå, áûñòðîäåéñòâóþùåå ïðèëîæåíèå, ïîñêîëüêó ðå÷ü èäåò î ðàáîòå â ðåàëüíîì âðåìåíè è îò ñêîðîñòè ðàáîòû ïðîãðàììû çàâèñèò ñêîðîñòü íàâåäåíèÿ òå-
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ëåñêîïà íà îáúåêò. Êðîìå òîãî, â íàøèõ ãðàôè÷åñêèõ èçîáðàæåíèÿõ åñòü ñâîÿ ñïåöèôèêà. Íàì íàäî íå òîëüêî ðàñïîçíàòü öèôðû íà êàäðå, íî è øòðèõè, ñîîòâåòñòâóþùèå ìèíóòàì è ñåêóíäàì äóãè, à òàêæå ïîëîæåíèå ýòèõ øòðèõîâ îòíîñèòåëüíî öèôðîâîãî îòñ÷åòà. Ïîýòîìó áûëî ðåøåíî ñîçäàòü ñïåöèàëüíûé àëãîðèòì, ðåøàþùèé äàííóþ çàäà÷ó ñ ó÷åòîì åå ñïåöèôèêè.
Íàøà çàäà÷à óñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî èçîáðàæåíèÿ ñ ëèìáîâ ìîãóò èìåòü ðàçëè÷íîãî ðîäà îïòè÷åñêèå èñêàæåíèÿ, ó÷åñòü êîòîðûå â îáùåì âèäå äîñòàòî÷íî ïðîáëåìàòè÷íî. Íàïðèìåð, êàê âèäíî èç ðèñ. 3, êàæäîå èçîáðàæåíèå èìååò äîâîëüíî ñëîæíûé “ôîí”, ò. å. äåòàëè, êîòîðûå ïðèñóòñòâóþò íà âñåõ èçîáðàæåíèÿõ äàííîãî ëèìáà. Êðîìå òîãî, èçîáðàæåíèÿ öèôð (öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà) èñêàæàþòñÿ îïòè÷åñêèìè àáåððàöèÿìè, âñëåäñòâèå êîòîðûõ îäíè è òå æå öèôðû íà ðàçíûõ êàäðàõ âûãëÿäÿò ïî-ðàçíîìó, ÷òî íàãëÿäíî ïðîäåìîíñòðèðîâàíî íà ðèñ. 4. Çàäà÷à òàêæå ñèëüíî óñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó øòðèõàìè, ò. å. äåëåíèÿìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà, èñêàæàþòñÿ îïòè÷åñêîé äèñòîðñèåé, ÷òî âèäíî èç ãðàôèêà, ïðèâåäåííîãî íà ðèñ. 5 äëÿ îäíîãî èç ëèìáîâ. Íî ñàìîé áîëüøîé ïðîáëåìîé ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî êðîìå îáùèõ äåòàëåé ôîíà, ïðèñóòñòâóþùèõ íà âñåõ èçîáðàæåíèÿõ, êàæäîå îòäåëüíîå èçîáðàæåíèå ìîæåò èìåòü ñâîè äåòàëè, òàê íàçûâàåìûå “ïÿòíà” (stains), êîòîðûå ìîãóò âîçíèêàòü â ëþáîé åãî ÷àñòè è òàêèì îáðàçîì çàêðûâàòü ñîáîé ÷àñòü øòðèõîâ èëè öèôð. Áåçóñëîâíî, êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé çà-
(à) (á)
Ðèñ. 3. Òèïè÷íûå èçîáðàæåíèÿ êîîðäèíàòíûõ øêàë ëèìáîâ t (à) è δ (á).
Ðèñ. 4. Öèôðà 1 íà ðàçíûõ èçîáðàæåíèÿõ ëèìáà t.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ΔÕ 39,4
39,0
38,6
38,2 20
60 100 140 180 Õ
Ðèñ. 5. Íåîäíîðîäíîñòü ðàññòîÿíèé ìåæäó øòðèõàìè äëÿ ëèìáà δ â ïðåäåëàõ êàäðà (äèñòîðñèÿ). Ïî ãîðèçîíòàëüíîé îñè îòëîæåíà øèðèíà êàäðà â ïèêñåëàõ (X), à ïî âåðòèêàëüíîé – ðàññòîÿíèå ìåæäó êàæäîé ïàðîé øòðèõîâ òàêæå â ïèêñåëàõ (ΔX).
âèñèò îò êà÷åñòâà îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, ñ ïîìîùüþ êîòîðîé îíè ïîëó÷àþòñÿ. Íî äàæå ñàìàÿ ñîâåðøåííàÿ îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà íå çàñòðàõîâàíà îò ïîäîáíûõ èñêàæåíèé. Êðîìå òîãî, ïðè ðàáîòå â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ïðèáîð ìîæåò çàãðÿçíÿòüñÿ ñî âðåìåíåì, à òàêæå ìîãóò âîçíèêàòü îïòè÷åñêèå äåôîðìàöèè ïîä âîçäåéñòâèåì òåìïåðàòóðíûõ èçìåíåíèé, êîòîðûå â íàøåì êëèìàòå âåñüìà ñóùåñòâåííû. Ïîýòîìó ïîëåçíî èìåòü àëãîðèòì, êîòîðûé áóäåò ó÷èòûâàòü âñå ýòè âîçìîæíûå èñêàæåíèÿ ïðè ðàñïîçíàâàíèè îòñ÷åòà.
3.1. Ïðåäâàðèòåëüíàÿ îáðàáîòêà èçîáðàæåíèé
Çàäà÷à ó÷åòà îáùèõ äåòàëåé (ôîíà) èçîáðàæåíèé áûëà ðåøåíà ñëåäóþùèì îáðàçîì. Äëÿ íà÷àëà äëÿ êàæäîãî ëèìáà áûëî ïîëó÷åíî íåñêîëüêî èçîáðàæåíèé, êîòîðûå íàçâàëè “øàáëîííûìè”. Ïî ýòèì èçîáðàæåíèÿì âû÷èñëÿëîñü ìåäèàííîå çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòåé ñâåòà äëÿ êàæäîãî ïèêñåëà ñ êîîðäèíàòàìè i, j. Âû÷èñëåíèå èìåííî ìåäèàííîãî, à íå ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ ïî âñåì îñíîâíûì “øàáëîíàì” ïîçâîëèëî èñêëþ÷èòü ñëó÷àéíûå ôëóêòóàöèè èíòåíñèâíîñòè â äàííîé òî÷êå i, j íà îòäåëüíûõ øàáëîíàõ.  ðåçóëüòàòå áûëà ïîëó÷åíà îáùàÿ äëÿ âñåõ øàáëîíîâ êàðòà ôîíà, êîòîðàÿ äîëæíà óñòðàíÿòüñÿ ïðè îáðàáîòêå êàæäîãî êàäðà â ðàáî÷åì ðåæèìå è òåì ñàìûì îáåñïå÷èâàòü èçáàâëåíèå èçîáðàæåíèÿ îò íåíóæíûõ äåòàëåé.
Äëÿ óñòðàíåíèÿ èíäèâèäóàëüíûõ ïÿòåí è íåîäíîðîäíîñòåé ôîíà, ïðèñóùèõ òîëüêî äàííîìó êàäðó, áûëî ââåäåíî ïîðîãîâîå çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòè ñâåòà F = Imin + 0,72(Imax – Imin), ãäå Imax è Imin – ñîîò-
75
âåòñòâåííî ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçîáðàæåíèÿ ñ óñòðàíåííîé íåîäíîðîäíîñòüþ ôîíà. Êîýôôèöèåíò 0,72 áûë îïðåäåëåí ýìïèðè÷åñêè, çíà÷åíèå åãî çàâèñèò ãëàâíûì îáðàçîì îò ñòåïåíè çàøóìëåííîñòè è êîíòðàñòíîñòè èçîáðàæåíèé. Çàâûøåííîå çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî óðîâíÿ ïðèâåäåò ê áîëüøåé çàøóìëåííîñòè èçîáðàæåíèÿ è, òåì ñàìûì, ê äîïîëíèòåëüíûì òðóäíîñòÿì ïðè ðàñïîçíàâàíèè öèôð; íàîáîðîò, ïðè çàíèæåííîì åãî çíà÷åíèè âîçìîæíî ïðîïàäàíèå îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ öèôð èëè øòðèõîâ, èëè äàæå öåëûõ öèôð, èìåþùèõ íèçêóþ êîíòðàñòíîñòü ïî îòíîøåíèþ ê ôîíó. Ñèãíàëîì, ò. å. èíôîðìàòèâíîé ÷àñòüþ èçîáðàæåíèÿ, ñ÷èòàþòñÿ ïèêñåëû, èìåþùèå èíòåíñèâíîñòü Iij < F. Èì ñîïîñòàâëÿåòñÿ ÷åðíûé öâåò, à ïèêñåëàì ÿð÷å F – áåëûé. Òàêèì îáðàçîì, èçîáðàæåíèå ïåðåâîäèòñÿ â äâîè÷íûé ôîðìàò. Ýòî íåîáõîäèìî áûëî ñäåëàòü äëÿ îáëåã÷åíèÿ ðåàëèçàöèè îïèñàííîãî íèæå àëãîðèòìà î÷èùåíèÿ èçîáðàæåíèÿ îò ïÿòåí.
Äëÿ ýòîãî ðàññìàòðèâàëèñü èìåþùèåñÿ “øàáëîííûå” èçîáðàæåíèÿ è âûáèðàëèñü èç íèõ íåñêîëüêî “èäåàëüíûõ”, ò. å. íå èìåþùèõ íèêàêèõ äîïîëíèòåëüíûõ ïÿòåí, êðîìå îáùåãî ôîíà. Ýòî äåëàëîñü äëÿ òîãî, ÷òîáû ñ ïîìîùüþ òàêèõ “èäåàëüíûõ” øàáëîíîâ âû÷èñëèòü ñðåäíèå çíà÷åíèÿ, õàðàêòåðèçóþùèå öèôðû è øòðèõè, à èìåííî âûñîòó øòðèõà è öèôðû, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè, èõ øèðèíó. Ýòè ñðåäíèå õàðàêòåðèñòèêè èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå îñíîâíûõ êðèòåðèåâ îòäåëåíèÿ ïÿòíà îò öèôðû èëè øòðèõà. Äëÿ êàæäîãî îáðàáàòûâàåìîãî èçîáðàæåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ îáëàñòè ëîêàëèçàöèè ÷åðíûõ ïèêñåëîâ, êîòîðûå ïîî÷åðåäíî ñðàâíèâàþòñÿ ñî ñðåäíèìè õàðàêòåðèñòèêàìè öèôðû è øòðèõà. Ïÿòíîì ñ÷èòàåòñÿ òî, ÷òî ðåçêî îòëè÷àåòñÿ õîòÿ áû ïî îäíîé èç ýòèõ õàðàêòåðèñòèê îò ñðåäíåãî. Òàêîå ïÿòíî “óäàëÿåòñÿ”, ò. å. âñåì åãî ïèêñåëàì ïðèñâàèâàåòñÿ áåëûé (ôîíîâûé) öâåò. Ñîîòâåòñòâåííî, òî, ÷òî íå ïîäïàäàåò ïîä ýòîò êðèòåðèé, ñ÷èòàåòñÿ öèôðîé èëè øòðèõîì.
Íàèáîëåå ñëîæíîé çàäà÷åé â äàííîé ïðîöåäóðå è âî âñåé ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷å âîîáùå ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå òðåáóåìîé ñòåïåíè îòëè÷èÿ îò ñðåäíåé õàðàêòåðèñòèêè, ïîñêîëüêó, â ñèëó, íàïðèìåð, ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé, îáóñëîâëåííûõ îïòèêîé âèäåîêàìåð, âûñîòà è øèðèíà öèôð íà ðàçíûõ êàäðàõ ìîæåò çàìåòíî ðàçëè÷àòüñÿ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïðèåìëåìîãî êðèòåðèÿ, íàðÿäó ñî ñðåäíèìè õàðàêòåðèñòèêàìè h, áûëè âû÷èñëåíû òàêæå îöåíêè ìàêñèìàëüíûõ îòêëîíåíèé îò ýòèõ ñðåäíèõ çíà÷åíèé σh. Òîãäà åñëè ñðåäíåå çíà÷åíèå íåêîòîðîé õàðàêòåðèñòèêè öèôðû ðàâíî h, òî ñîîòâåòñòâóþùóþ õàðàêòåðèñòèêó ðàññìàòðèâàåìîãî ïÿòíà h ñëåäóåò ñðàâíèâàòü ñ âåëè÷èíîé (h +σh), åñëè ìû õîòèì óáåäèòüñÿ, ÷òî âåëè÷èíà h íå áîëüøå ñðåäíåãî,
76
ñ âåëè÷èíîé (h – σh) äëÿ âûÿñíåíèÿ òîãî, ÷òî âåëè÷èíà h íå ìåíüøå ñîîòâåòñòâóþùåãî ñðåäíåãî.
3.2. Îïðåäåëåíèå öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà (ãðàäóñû)
Ïîñëå òîãî êàê èçîáðàæåíèå î÷èùåíî îò âîçìîæíûõ ïÿòåí, îòîæäåñòâëÿåòñÿ öåëàÿ ÷àñòü îòñ÷åòà (÷èñëî ãðàäóñîâ îò 0 äî 359), ò. å. ðàññìàòðèâàåòñÿ âåðõíÿÿ ÷àñòü èçîáðàæåíèÿ. Äëÿ ýòîãî áåðóòñÿ îñòàâøèåñÿ ïîñëå óäàëåíèÿ ïÿòåí ãðóïïû ÷åðíûõ ïèêñåëîâ (ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî âñå îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé öèôðû) è âû÷èñëÿþòñÿ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè ïî ãîðèçîíòàëè. Åñëè ýòî ðàññòîÿíèå îêàçûâàåòñÿ ìåíüøå 15% îáùåé øèðèíû êàäðà (âåëè÷èíà, ïîäîáðàííàÿ ýìïèðè÷åñêè), òî òàêèå äâå öèôðû îáúåäèíÿþòñÿ â îäíó ãðóïïó, ò. å. â ÷èñëî.
Åñëè ãðóïï öèôð (÷èñåë) íà èçîáðàæåíèè îêàçûâàåòñÿ áîëåå îäíîãî, òî èç íèõ âûáèðàåòñÿ áëèæàéøåå ê öåíòðó èçîáðàæåíèÿ ïî ãîðèçîíòàëè. Îäíîâðåìåííî âû÷èñëÿåòñÿ êîîðäèíàòà ñåðåäèíû ýòîãî ÷èñëà, êîòîðàÿ ïîòðåáóåòñÿ â äàëüíåéøåì äëÿ îïðåäåëåíèÿ äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà.
Ðàñïîçíàâàíèå ÷èñëà ðåàëèçîâàíî ìåòîäîì ñðàâíåíèÿ ñ øàáëîíàìè. Ïðè ýòîì ÷èñëî, êîòîðîå òðåáóåòñÿ îòîæäåñòâèòü, ðàçáèâàåòñÿ íà îòäåëüíûå öèôðû, èç êîòîðûõ îíî ñîñòîèò, è êàæäàÿ öèôðà ñðàâíèâàåòñÿ ñî âñåìè øàáëîíàìè öèôð îò 0 äî 9. Øàáëîíû äëÿ öèôð áûëè ïîëó÷åíû èç øàáëîííûõ èçîáðàæåíèé ïóòåì ðàçáèâêè èõ íà îòäåëüíûå öèôðû. Ïðè ýòîì äëÿ êàæäîé öèôðû ìû èìååì íåñêîëüêî øàáëîíîâ è êàæäûé ðàç ñðàâíèâàåì ñî âñåé ñîâîêóïíîñòüþ øàáëîíîâ äëÿ êàæäîé öèôðû, ò. å. èñïîëüçóåì ñòàòèñòè÷åñêèé ïîäõîä. Òàêèì îáðàçîì, â íàñòîÿùåì àëãîðèòìå êàæäàÿ îòäåëüíàÿ öèôðà îòîæäåñòâëÿåìîãî ÷èñëà ïîî÷åðåäíî ñðàâíèâàåòñÿ ñî âñåìè èìåþùèìèñÿ øàáëîíàìè 0, çàòåì ñî âñåìè øàáëîíàìè 1 è ò. ä. äî 9 è âû÷èñëÿåòñÿ äîëÿ ñîâïàäåíèé ñ êàæäîé èç ýòèõ ñåðèé øàáëîíîâ. Îêîí÷àòåëüíî âûáèðàåòñÿ òà öèôðà, äëÿ êîòîðîé ýòà äîëÿ îêàçàëàñü íàèáîëüøåé. Òàêîé ïîäõîä, êàê ïîêàçûâàåò îïûò, ïîëíîñòüþ èñêëþ÷àåò âëèÿíèå øóìîâûõ è ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé îòäåëüíûõ öèôð (ðèñ. 4). Ðàçáèâêà æå ÷èñëà íà îòäåëüíûå öèôðû íåîáõîäèìà äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü âîçíèêíîâåíèÿ îøèáîê îòîæäåñòâëåíèÿ âñëåäñòâèå îïòè÷åñêèõ èñêàæåíèé, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó îòäåëüíûìè öèôðàìè â ÷èñëå íà ðàçíûõ èçîáðàæåíèÿõ ìîãóò çàìåòíî îòëè÷àòüñÿ äðóã îò äðóãà.
Îñòàíîâèìñÿ ïîäðîáíåå íà ìåòîäå ñðàâíåíèÿ äâîè÷íîãî èçîáðàæåíèÿ öèôðû ñ îòäåëüíûì øàáëîíîì. Ïðåæäå âñåãî èçîáðàæåíèå öèôðû è øàáëîía ïðèâîäÿòñÿ ê îäèíàêîâîìó ðàçìåðó óìåíüøåíèåì áîëüøåãî èç ýòèõ äâóõ èçîáðàæåíèé. Äåëàåòñÿ ýòî äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü äîïîëíèòåëüíûõ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
îøèáîê, ñâÿçàííûõ ñ íåñîâïàäåíèåì ðàçìåðîâ â ðåçóëüòàòå ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé. Òàêæå çäåñü ðåàëèçîâàíà âîçìîæíîñòü ïåðåñ÷åòà èçîáðàæåíèÿ íà äðóãîå ðàçðåøåíèå (resampling).  äàííîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå ñ ÇÀ-320Ì ýòî íå èñïîëüçóåòñÿ, òàê êàê íå äàåò ñóùåñòâåííûõ óëó÷øåíèé, íî âîçìîæíî, ÷òî äëÿ äðóãèõ îïòè÷åñêèõ ñèñòåì ýòî îêàæåòñÿ ïîëåçíûì. Òàêæå ââîäèòñÿ êðèòåðèé øèðèíû: ñðàâíèâàþòñÿ òîëüêî òå öèôðû, äëÿ êîòîðûõ ðàçíîñòü èõ øèðèí íå ïðåâûøàåò îäíó òðåòü îò øèðèíû áîëüøåé èç öèôð. Äåëàåòñÿ ýòî äëÿ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ àëãîðèòìà, ïîñêîëüêó, íàïðèìåð, öèôðà “1” ïî øèðèíå ïî÷òè â äâà ðàçà ìåíüøå âñåõ îñòàëüíûõ è íåò íèêàêîé íåîáõîäèìîñòè ñðàâíèâàòü åå ñ äðóãèìè. Äëÿ ñðàâíåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ñëåäóþùèé ýâðèñòè÷åñêèé ïðèåì, íàïðàâëåííûé òàêæå íà óìåíüøåíèå âëèÿíèÿ øóìà. Êàæäàÿ öèôðà äåëèòñÿ íà 4 ÷àñòè (ìîçàèêîé), è ýòè ÷àñòè ñðàâíèâàþòñÿ ìåæäó ñîáîé ïî îòäåëüíîñòè. Ñðàâíåíèå ïðîèñõîäèò ïî âñåì ïèêñåëàì: è ÷åðíûì (èíôîðìàöèîííûì), è áåëûì (ôîíîâûì). Åñëè îáùåå êîëè÷åñòâî ñîâïàäàþùèõ ïèêñåëîâ â îäíîé èç ÷àñòåé ìåíüøå 75%, òî ÷èñëî ñîâïàäåíèé ïî äàííîìó ôðàãìåíòó ñ÷èòàåòñÿ íóëåâûì. Èíûìè ñëîâàìè, ïðè ñëèøêîì áîëüøîì ïîïèêñåëüíîì ðàçëè÷èè ôðàãìåíòîâ ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî “ôîðìà” öèôð â ýòèõ ôðàãìåíòàõ ðàçíàÿ è äàííûé ôðàãìåíò ìîæíî ïîëíîñòüþ èñêëþ÷èòü èç ðàññìîòðåíèÿ. Íàîáîðîò, åñëè ÷èñëî ñîâïàäåíèé ïðåâûøàåò 95%, îíî óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàâíûì 100%, ò. å. ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî “ôîðìà” ôðàãìåíòîâ îäèíàêîâàÿ è ïðèîðèòåò äàííîãî øàáëîíà ñëåäóåò óâåëè÷èòü. Îêîí÷àòåëüíî ïîäñ÷èòûâàåòñÿ îáùåå ÷èñëî (â ïðîöåíòàõ) âû÷èñëåííûõ òàêèì îáðàçîì ñîâïàäåíèé ïî âñåì ÷åòûðåì ôðàãìåíòàì.
Òàêèì îáðàçîì, â ðåçóëüòàòå ïîñëåäîâàòåëüíîãî îòîæäåñòâëåíèÿ îïèñàííûì ñïîñîáîì îòäåëüíûõ öèôð (åñëè èõ áîëüøå îäíîé) ïîëó÷àåòñÿ èñêîìîå ÷èñëî, ñîîòâåòñòâóþùåå öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà.
3.3. Îïðåäåëåíèå äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà (ìèíóò è ñåêóíä)
Ïîñëåäíèì ýòàïîì äàííîé ïðîöåäóðû ÿâëÿåòñÿ îòîæäåñòâëåíèå äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà. Äëÿ ýòîãî îáðàáàòûâàåòñÿ íèæíÿÿ ïîëîâèíà êàäðà, ñîäåðæàùàÿ âåðòèêàëüíûå øòðèõè.  ñëó÷àå ëèìáîâ, èñïîëüçóåìûõ íà ÇÀ-320Ì, êàê óæå óïîìèíàëîñü âûøå, øòðèõè íàíåñåíû ïàðàìè ñ øàãîì 20′, òî÷íîìó çíà÷åíèþ äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà (0′, 20′, 40′) îòâå÷àåò ñåðåäèíà ñîîòâåòñòâóþùåé ïàðû øòðèõîâ (ðèñ. 3).
Ïðåæäå âñåãî ïóòåì ñêàíèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ è âûäåëåíèÿ îáëàñòåé ÷åðíûõ ïèêñåëîâ ïî ãîðèçîíòàëè îïðåäåëÿåòñÿ îáùåå êîëè÷åñòâî øòðèõîâ, îñòàâøèõñÿ ïîñëå ïðîöåäóðû óäàëåíèÿ ïÿòåí. Ïî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ñêîëüêó øòðèõè íà èçîáðàæåíèè ðàñïîëîæåíû ïàðàìè, ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî âû÷èñëèòü óñðåäíåííûå ãîðèçîíòàëüíûå êîîðäèíàòû èõ ñåðåäèí, “òî÷íàÿ” ïèêñåëüíàÿ êîîðäèíàòà ñîîòâåòñòâóþùåãî îòñ÷åòà òîãäà âû÷èñëÿåòñÿ êàê ñðåäíåå àðèôìåòè÷åñêîå îò êîîðäèíàò ïàðû øòðèõîâ. Êîîðäèíàòîé îòäåëüíîãî øòðèõà ñ÷èòàåòñÿ óñðåäíåííàÿ ïî âåðòèêàëè âäîëü âñåãî øòðèõà X-êîîðäèíàòà öåíòðà òÿæåñòè, ðàññ÷èòàííàÿ ïî âñåé øèðèíå øòðèõà ñ íåêîòîðûì îòñòóïîì δx. Ïðè ýòîì èñïîëüçóþòñÿ çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè, ïîëó÷åííûå èç èñõîäíîãî èçîáðàæåíèÿ â ãðàäàöèÿõ ñåðîãî, à íå äâîè÷íîãî (÷åðíî-áåëîãî) êàäðà.
⎛ y2 ⎞
∑X = ⎜⎜⎝ y=y1 X y ⎠⎟⎟ / ( y2 − y1 + 1) ,
(1)
ãäå y1 è y2 – ñîîòâåòñòâåííî íèæíÿÿ è âåðõíÿÿ ãðàíèöû øòðèõà, à X-êîîðäèíàòà öåíòðà òÿæåñòè äëÿ äàííîãî y
∑X
y
=
⎛ ⎜⎜⎝
x2 +δx x= x1 −δx
xJˆxy
⎞ ⎟⎠⎟
∑⎛
⎜⎜⎝
x2 +δx x= x1 −δx
Jˆxy
⎞ ⎟⎟⎠ ,
(2)
ãäå x1 è x2 – ëåâàÿ è ïðàâàÿ ãðàíèöû øòðèõà, à J^xy – çíà÷åíèå ñìåùåííîé èíòåíñèâíîñòè íåãàòèâà èñõîä-
íîãî èçîáðàæåíèÿ
Jˆxy
=
J xy
−
x1
−
δ
min
x ≤ x≤ x2
+
δ
x
J
xy
,
ïðè÷åì
Jxy = 1 – Ixy, Ixy ∈ [0, 1] – íîðìèðîâàííàÿ èíòåíñèâíîñòü ïèêñåëà ñ êîîðäèíàòàìè (x, y) íà èñõîäíîì
êàäðå.
Òàêèì îáðàçîì, ãîðèçîíòàëüíàÿ ïèêñåëüíàÿ êî-
îðäèíàòà ëþáîãî èç òî÷íûõ îòñ÷åòîâ (0′, 20′, 40′) íà èçîáðàæåíèè âû÷èñëÿåòñÿ êàê ñðåäíåå àðèôìå-
òè÷åñêîå âåëè÷èí X äëÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ïàðû
øòðèõîâ.
 ðåçóëüòàòå îïèñàííîé âûøå ïðîöåäóðû ïîëó-
÷àåòñÿ íàáîð ïèêñåëüíûõ x-êîîðäèíàò Xi, i = 1, …, n, ñîîòâåòñòâóþùèõ îòñ÷åòàì ëèìáà, êðàòíûì 20′. Çàòåì îïðåäåëÿåòñÿ íîìåð k-ãî “îïîðíîãî” îòñ÷åòà,
áëèæàéøåãî ñëåâà ê ñåðåäèíå êàäðà, è èùåòñÿ
îòñ÷åò, áëèæàéøèé ê ïîëîæåíèþ öåíòðà ÷èñëà (îí
ñîîòâåòñòâóåò 0′, ò. å. öåëîìó ãðàäóñó). Òàêèì îáðàçîì, îïðåäåëÿåòñÿ àáñîëþòíîå çíà÷åíèå îïîðíîãî
îòñ÷åòà íà ëèìáå α0 è, òåì ñàìûì, èíòåðâàë [α0, α0 + 20′], â êîòîðîì íàõîäèòñÿ çíà÷åíèå èñêîìîãî îòñ÷åòà ëèìáà α, ñîîòâåòñòâóþùåå àáñîëþòíîìó ïîëîæåíèþ íà ëèìáå ñåðåäèíû êàäðà. Ïðè
ýòîì, ïî îðèåíòèðîâî÷íîìó ðàññòîÿíèþ (â ïèêñå-
ëàõ) ìåæäó ïîñëåäîâàòåëüíûìè ïàðàìè øòðè-
õîâ, ó÷èòûâàåòñÿ, ÷òî èç-çà íàëè÷èÿ ïÿòåí ÷àñòü
20′-íûõ ìåòîê ìåæäó ýòèìè äâóìÿ ìîãëà íå îòîæäåñòâèòüñÿ.
Ïîñëåäíèì ýòàïîì àëãîðèòìà ÿâëÿåòñÿ âû÷èñëå-
íèå ïîëîæåíèÿ ñåðåäèíû êàäðà (â ñåêóíäàõ äóãè)
77
âíóòðè íàéäåííîãî èíòåðâàëà [α0, α0 + 20′]. Êàê óæå óïîìèíàëîñü (ðèñ. 5), äàííàÿ çàäà÷à îñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî ãîðèçîíòàëüíûé óãëîâîé ìàñøòàá èçîáðàæåíèÿ ∂α/∂x ÿâëÿåòñÿ íåîäíîðîäíûì â ïðåäåëàõ êàäðà, ò. å. çàâèñèò îò êîîðäèíàòû x. Âñëåäñòâèå ýòîãî, ðàññòîÿíèå â ïèêñåëàõ ìåæäó ïîñëåäîâàòåëüíûìè 20′-íûìè ìåòêàìè ΔXi = Xi + 1 – Xi, i = 1, …, n – 1, îêàçûâàåòñÿ ïåðåìåííûì.
Äëÿ êîððåêòíîãî ó÷åòà íåîäíîðîäíîñòè ìàñøòàáà çàâèñèìîñòü ΔXi(Xi) èíòåðïîëèðóåòñÿ ïîëèíîìîì ΔX(x) ñòåïåíè n – 2.  ïðåäïîëîæåíèè äîñòàòî÷íî ãëàäêîé âàðèàöèè óãëîâîãî ìàñøòàáà â ïðåäåëàõ êàäðà äàííûé ïîëèíîì ìîæíî ñ÷èòàòü àïïðîêñèìàöèåé çàâèñèìîñòè óãëîâîãî ìàñøòàáà ∂α/∂x îò êîîðäèíàòû x. Ïîñêîëüêó óãëîâîå ðàññòîÿíèå ìåæäó òî÷êàìè Xk è Xk +1 ñîñòàâëÿåò 20′, îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ èñêîìîãî îòñ÷åòà ëèìáà
⎛ Xc ⎞
∫α
=
α0
+
20
⎜ ⎝⎜
X
k
ΔX
(
x)dx
⎟ ⎠⎟
⎛ X k +1
⎞
∫⎜ ΔX (x)dx ⎟ ,
⎝⎜ Xk ⎟⎠
ãäå Xc – x-êîîðäèíàòà ñåðåäèíû êàäðà.
(3)
4. Çàêëþ÷åíèå
Ñîçäàííàÿ è îïèñàííàÿ â íàñòîÿùåé ðàáîòå ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî íàâåäåíèÿ òðóáû çåðêàëüíîãî àñòðîãðàôà ÇÀ-320Ì íà çàäàííûé îáúåêò ÿâëÿåòñÿ âàæíûì ýòàïîì íà ïóòè ê ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà äàííîì èíñòðóìåíòå.  ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîé ðàáîòû ñêîðîñòü íàâåäåíèÿ íà îáúåêò óâåëè÷èëàñü â äåñÿòêè ðàç. Åñëè ïðè íàâåäåíèè òåëåñêîïà íà îáúåêò â ðó÷íîì ðåæèìå èíîãäà ïðèõîäèëîñü çàòðà÷èâàòü äî 15 ìèí, òî òåïåðü ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ, òðåáóåìîå äëÿ ïåðåìåùåíèÿ òðóáû â íóæíîå ïîëîæåíèå, ñîñòàâëÿåò 0,5–3 ìèí.
 ðàìêàõ äàííîé ðàáîòû áûë ñîçäàí àëãîðèòì ðàñïîçíàâàíèÿ èçîáðàæåíèé, ïîçâîëÿþùèé â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå îïðåäåëÿòü ïîëîæåíèå òðóáû òåëåñêîïà. Äàííûé àëãîðèòì ïðåäíàçíà÷åí äëÿ îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ êîíêðåòíîé çàäà÷è ðàñïîçíàâàíèÿ öèôðîâîãî îòñ÷åòà (ãðàäóñ, ìèíóòà, ñåêóíäà) èç ãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ ó÷àñòêà øêàëû ëèìáà. Ïðè ýòîì îí ó÷èòûâàåò ïðàêòè÷åñêè ëþáûå, äàæå ñàìûå ñèëüíûå, îïòè÷åñêèå èñêàæåíèÿ. Äàííûé àëãîðèòì ìîæåò áûòü ïðèìåíåí íå òîëüêî äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ òåëåñêîïîì, íî è äëÿ ëþáîé äðóãîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, äëÿ êîòîðîé ìîæåò âîçíèêíóòü ïîäîáíîãî ðîäà çàäà÷à.
Ê íàñòîÿùåìó ìîìåíòó âðåìåíè âñå îñíîâíûå ýòàïû àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì âûïîëíåíû è äàííûé èíñòðóìåíò ôóíêöèîíèðóåò êàê ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííûé òåëåñêîï ñîâðåìåííîãî îáðàçöà. Íà
78
îñíîâå äàííîãî îïûòà âûïîëíÿåòñÿ ïðîöåññ àâòîìàòèçàöèè è íà äðóãèõ èíñòðóìåíòàõ Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè.
Àâòîìàòèçàöèÿ ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà äàííîì èíñòðóìåíòå ïîçâîëèëà óâåëè÷èòü ÷èñëî ðåøàåìûõ çàäà÷, à òàêæå óëó÷øèòü êà÷åñòâî íàáëþäåíèé. Òàê, îäíîé èç íàáëþäàòåëüíûõ ïðîãðàìì, ïðîâîäèìîé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì, ÿâëÿåòñÿ ïðîãðàììà íàáëþäåíèé çà îáúåêòàìè, ñáëèæàþùèìèñÿ ñ Çåìëåé, ìåæäóíàðîäíàÿ ïðîãðàììà, â êîòîðîé ó÷àñòâóþò áîëåå 700 îáñåðâàòîðèé âñåãî ìèðà, âêëþ÷àÿ êðóïíåéøèå èç íèõ, íà êîòîðûõ èñïîëüçóþòñÿ ñïåöèàëüíûå òåëåñêîïû-àâòîìàòû, îðèåíòèðîâàííûå òîëüêî íà äàííóþ ïðîãðàììó. È ñðåäè âñåõ ýòèõ ó÷àñòíèêîâ ìû çàíèìàåì ïî êîëè÷åñòâó è ïî êà÷åñòâó íàáëþäåíèé 18-å ìåñòî. Êà÷åñòâî æå íàøèõ íàáëþäåíèé òàêîå, ÷òî çà 4 ãîäà ó÷àñòèÿ â äàííîé ïðîãðàììå íè îäíî íàøå íàáëþäåíèå íå áûëî çàáðàêîâàíî çà íåñîîòâåòñòâèå òðåáóåìîé òî÷íîñòè [13].
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Áåêÿøåâ Ð.Õ., Êàíàåâ È.È., Äåâÿòêèí À.Â., Ãîðøàíîâ Ä.Ë., Ãðèöóê À.Í., Êóëèø À.Ï., Ñâèäóíîâè÷ À.Ã., Øóìàõåð À.Â. Çåðêàëüíûé àñòðîãðàô ÇÀ-320ì // Èçâåñòèÿ ÃÀÎ. 1998. ¹ 213. Ñ. 249–258.
12. Áëàæêî Ñ.Í. Êóðñ ïðàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè. Ì: Íàóêà, 1979. 439 ñ.
13. Ìèõåëüñîí Í.Í. Îïòè÷åñêèå òåëåñêîïû. Òåîðèÿ è êîíñòðóêöèÿ. Ì., Íàóêà, 1976. 510 ñ.
14. http://ocrai.narod.ru/demoocr.htm
15. http://ocrai.narod.ru/hp.html
16. Cun Y. Le, Matan O., Boser B., Denker J.S., Henderson D., Howard R.E., Hubbard W., Jackel L.D., Baird H.S. Handwritten Zipcode Recognition with Multilayer Networks // Proc. of International Conference on Pattern Recognition. Atlantic City, 1990.
17. Krzyzak W., Dai, Suen C.Y. Unconstrained Handwritten Character Classification Using Modified Backpropagation Model // Proc. 1st Int. Workshop on Frontiers in Handwriting Recognition. Montreal, Canada, 1990. Ñ. 155–166.
18. Seong-Wang Lee, Young Joon Kim. Off-line Recognition of Totally Unconstrained Handwritten Numerals Using Multilayer Cluster Neural Network // Proc. of the 12th IAPR International Conference on Pattern Recognition. Jerusalem, Israel. 1994. Ñ. 507–509.
19. Fukushima K. Neocognition: a hierarchical neural network capable of visual pattern recognition // Neural Networks. 1 (2). 1988. Ñ. 119–130.
10. Knerr S., Personnaz L., Dreyfus G. Handwritten digit recognition by neural networks with single-layer training // IEEE Transactions on Neural Networks. 3. 1992. C. 962–968.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
11. Lee Y. Handwritten digit recognition using K nearesneighbor, radial-basis function, and back-propagation neural networks // Neural Computation 3. 1991. C. 440–449.
12. Martin G.L., Pitman J.A. Recognizing hand-printid letters
and digits using backpropagation learning // Neural Compution. 1991. 3. P. 258–267.
13. http://cfa-www.harvard.edu/iau/mpc.html
14. Ïîäîáåä Â.Â. Ôóíäàìåíòàëüíàÿ àñòðîìåòðèÿ. Ì.: Íàóêà, 1968. 452 ñ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
79
ÎÏÒÈ×ÅÑÊÈÉ ÄÀÒ×ÈÊ ÓÃËÀ ÏÎËÎÆÅÍÈß ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÎÃÎ ÒÅËÅÑÊÎÏÀ ÇÀ-320Ì ÏÓËÊÎÂÑÊÎÉ ÎÁÑÅÐÂÀÒÎÐÈÈ
© 2008 ã. © 2007 ã.
À. Â. Äåâÿòêèí, êàíä. ôèç.-ìàò. íàóê; È. À. Âåðåùàãèíà; À. Ï. Êóëèø; À. Â. Øóìàõåð; Â. Â. Êóïðèÿíîâ; À. Ñ. Áåõòåâà
Ãëàâíàÿ (Ïóëêîâñêàÿ) àñòðîíîìè÷åñêàÿ îáñåðâàòîðèÿ ÐÀÍ, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
E-mail: ver-iraida@yandex.ru, adev@gao.spb.ru
Èçëàãàåòñÿ ïðèíöèï ðàáîòû âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà, ïðåäíàçíà÷åííîãî äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà çàäàííûé îáúåêò. Ïðèâîäèòñÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà äàííîãî óñòðîéñòâà, à òàêæå ïîäðîáíî îïèñûâàåòñÿ àëãîðèòì, ïîçâîëÿþùèé ïî îïòè÷åñêèì èçîáðàæåíèÿì êîîðäèíàòíûõ øêàë, ïîëó÷àåìûõ ñ âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè, âîññòàíàâëèâàòü öèôðîâîé îòñ÷åò. Äàííàÿ ðàáîòà ÿâëÿåòñÿ îäíèì èç ãëàâíûõ ýòàïîâ ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé íà îäíîì èç òåëåñêîïîâ Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè, êîòîðàÿ êðàéíå íåîáõîäèìà äëÿ ðåøåíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ çàäà÷ íà ñîâðåìåííîì óðîâíå.
Êîäû OCIS: 230.0230, 100.0100, 100.2960.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 17.07.2007.
1. Ââåäåíèå
Ñîâðåìåííûå òåëåñêîïû íîâîãî ïîêîëåíèÿ, êàê ïðàâèëî, ÿâëÿþòñÿ ÷àñòè÷íî èëè ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííûìè. Îíè ñïîñîáíû ñàìè ïî çàäàííîé ïðîãðàììå ðåãèñòðèðîâàòü íåáåñíûå îáúåêòû, ïðè ýòîì ïðîöåññ ðåãèñòðàöèè ïðîèñõîäèò ñ ìèíèìàëüíûì ó÷àñòèåì èëè âîîáùå áåç ó÷àñòèÿ ÷åëîâåêà. Îäíàêî îãðîìíîå êîëè÷åñòâî òåëåñêîïîâ ïðåäûäóùåãî ïîêîëåíèÿ, òðåáóþùèõ íàâîäêè âðó÷íóþ, ïîïðåæíåìó íàõîäèòñÿ â ñòðîþ, ïðè÷åì ýòè èíñòðóìåíòû ÷àñòî ïî ñâîèì òåõíè÷åñêèì õàðàêòåðèñòèêàì ïðåâîñõîäÿò íîâûå. Ê èõ ÷èñëó îòíîñèòñÿ çåðêàëüíûé àñòðîãðàô ÇÀ-320Ì Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè. Äàííûé òåëåñêîï áûë ââåäåí â ñòðîé â 1997 ãîäó [1] è èìååò ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: îïòè÷åñêàÿ ñõåìà Êàññåãðåí, äèàìåòð ãëàâíîãî çåðêàëà 320 ìì, ôîêóñíîå ðàññòîÿíèå 3200 ìì. Èíñòðóìåíò îñíàùåí ÏÇÑ-êàìåðîé, ïîçâîëÿþùåé ïîëó÷àòü èçîáðàæåíèÿ çâåçä äî 19 çâåçäíîé âåëè÷èíû. Áîëåå äåòàëüíî î êîíñòðóêöèè òåëåñêîïà äàííîãî òèïà ìîæíî ïðî÷èòàòü, íàïðèìåð, â [2, 3].
Òåì íå ìåíåå, àâòîìàòèçàöèÿ ïðîöåññà àñòðîíîìè÷åñêèõ íàáëþäåíèé íà èíñòðóìåíòàõ ñòàðîãî îáðàçöà áûëà áû î÷åíü æåëàòåëüíîé, òàê êàê ýòî ïîçâîëèëî áû ïîâûñèòü ïðîèçâîäèòåëüíîñòü òðóäà â äåñÿòêè ðàç. Èìåÿ â ñâîåì ðàñïîðÿæåíèè àâòîìàòèçèðîâàííûé òåëåñêîï, ìîæíî çíà÷èòåëüíî óâåëè÷èòü êîëè÷åñòâî íàáëþäàåìûõ îáúåêòîâ çà îäíó íî÷ü, à òàêæå ÷èñëî ðåøàåìûõ ñ ïîìîùüþ äàííîãî èíñòðóìåíòà íàó÷íûõ çàäà÷. Ïîýòîìó áûëî ðåøåíî îñóùåñòâèòü ïîëíóþ àâòîìàòèçàöèþ ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì.
Ãëàâíîé ïðîáëåìîé íà ïóòè ê äîñòèæåíèþ äàííîé öåëè ÿâèëîñü òî, ÷òî äàííûé òåëåñêîï, êàê è
âñå èíñòðóìåíòû ñòàðîãî ïîêîëåíèÿ, äëÿ íàâåäåíèÿ òðóáû íà îáúåêò ïî äâóì íåáåñíûì êîîðäèíàòàì – ÷àñîâîìó óãëó (t) è ñêëîíåíèþ (δ) – èñïîëüçóåò øòàòíûå êðóãè, òî÷íîñòü êîòîðûõ íå ñîîòâåòñòâóåò òî÷íîñòè, òðåáóåìîé äëÿ ðåøåíèÿ àñòðîíîìè÷åñêèõ çàäà÷ íà ñîâðåìåííîì óðîâíå. Ïîýòîìó âîçíèêëà íåîáõîäèìîñòü â îñíàùåíèè òåëåñêîïà äîïîëíèòåëüíûìè îïòè÷åñêèìè óñòðîéñòâàìè, íàçâàííûìè âèäåîîòñ÷åòíûìè. Äàííûå óñòðîéñòâà äàþò âîçìîæíîñòü ïðîöåññ íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà îáúåêò îñóùåñòâëÿòü â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå. Ñîçäàíèå òàêîé ñèñòåìû íàâåäåíèÿ ÿâèëîñü ïåðâûì øàãîì íà ïóòè ê àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì.
2. Îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà
Îáùèé âèä çåðêàëüíîãî àñòðîãðàôà ÇÀ-320Ì ïðèâåäåí íà ðèñ. 1, ãäå 1 – ãëàâíàÿ êîëîííà òåëåñêîïà, 2 è 4 – îñè ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî, 6 – ïðîòèâîâåñ, 3 è 5 – ñîçäàííûå íàìè âèäåîîòñ÷åòíûå óñòðîéñòâà äëÿ äâóõ îñåé – ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ. Äàííûå óñòðîéñòâà äëÿ îáåèõ îñåé ÿâëÿþòñÿ èäåíòè÷íûìè.
Îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà ïðèâåäåíà íà ðèñ. 2. Ñîñòîèò îíà èç ÷åòûðåõ ýëåìåíòîâ: îñâåòèòåëÿ 1, ñòåêëÿííîãî ëèìáà 2, ìèêðîîáúåêòèâà 3, ÏÇÑ-êàìåðû 4. Ñòåêëÿííûé ëèìá îò òåîäîëèòà ïðåäíàçíà÷åí äëÿ áîëåå òî÷íîãî íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà îáúåêò. Åñëè øòàòíûå êðóãè îáåñïå÷èâàþò òî÷íîñòü íàâåäåíèÿ äî 3′ [2], òî çäåñü ìû èìååì äåëî ñ òî÷íîñòüþ, êîòîðàÿ ìîæåò áûòü äîâåäåíà äî ñîòûõ äîëåé óãëîâîé ñåêóíäû, êàê ýòî äåëàëîñü â ìåðèäèàííîé àñòðîìåòðèè, êîãäà
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
73
2 3
45 6
1
Ðèñ. 1. Îáùèé âèä òåëåñêîïà ÇÀ-320ì. Ïîÿñíåíèÿ ñì. â òåêñòå.
ïîäâèæêó âäîëü îïòè÷åñêîé îñè îòíîñèòåëüíî ïëîñêîñòè èçîáðàæåíèÿ â ïðåäåëàõ ± 2 ìì îò íîìèíàëà ñ òî÷íîñòüþ 0,1 ìì. Âìåñòå ñ òåì, îí, êàê åäèíîå öåëîå ñ ÏÇÑ-êàìåðîé, èìååò ïîäâèæêè âäîëü îïòè÷åñêîé îñè â ïðåäåëàõ ± 2 ìì äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ðåçêîãî èçîáðàæåíèÿ øêàëû ëèìáà íà ÏÇÑ-ìàòðèöå è þñòèðîâî÷íûå ïîäâèæêè ïîïåðåê è âäîëü ðàäèóñà ëèìáà äëÿ óñòàíîâêè ðàñ÷åòíîãî ðàññòîÿíèÿ. ÏÇÑêàìåðà 4 èìååò ñâîè ïîâîðîòû âîêðóã îïòè÷åñêîé îñè ìèêðîîáúåêòèâà äëÿ óñòàíîâêè èçîáðàæåíèÿ øòðèõîâ ëèìáà ïàðàëëåëüíî ñòîëáöàì ìàòðèöû. Êîíòðîëü ýòèõ þñòèðîâî÷íûõ ïîäâèæåê îñóùåñòâëÿåòñÿ âèçóàëüíî ïî èçîáðàæåíèÿì íà äèñïëåå êîìïüþòåðà.
Öèôðàìè 5 è 6 íà ðèñóíêå 2 îáîçíà÷åíû ïëîñêîñòè øòðèõîâ ëèìáà è èçîáðàæåíèÿ ñîîòâåòñòâåííî.
2,7 ìì
3,64 ìì
123
4 6
1,6 ìì
5
Ðèñ. 2. Ïðèíöèïèàëüíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñõåìà âèäåîîòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà. Ïîÿñíåíèÿ ñì. â òåêñòå.
ïðèìåíÿëèñü áîëåå êðóïíûå ïî ðàçìåðàì ëèìáû, îøèáêè øòðèõîâ êîòîðûõ èññëåäîâàëèñü è îïðåäåëÿëèñü â [14].
Ëèìá èìååò îöèôðîâêó ÷åðåç 1° è äâîéíûå øòðèõè ÷åðåç êàæäûå 20′. Íà ðèñ. 2 ñëåâà ñõåìàòè÷åñêè ïîêàçàíî òèïè÷íîå èçîáðàæåíèå ó÷àñòêà ëèìáà â ïîëå çðåíèÿ ÏÇÑ-êàìåðû. Ëèìá æåñòêî ïîñàæåí íà îñü òåëåñêîïà. Ñèñòåìà îñâåòèòåëü–ìèêðîîáúåêòèâ– ÏÇÑ-êàìåðà ÿâëÿåòñÿ îòñ÷åòíîé ñèñòåìîé. Îíà çàêðåïëåíà íà îáùåì äåðæàòåëå, êîòîðûé, â ñâîþ î÷åðåäü, æåñòêî ñâÿçàí ñ íåïîäâèæíûì êîðïóñîì ñîîòâåòñòâóþùåé îñè òåëåñêîïà. Ýëåìåíòû îòñ÷åòíîãî óñòðîéñòâà ñîîñíû. Îïòè÷åñêàÿ îñü ýòîé ñèñòåìû ïàðàëëåëüíà îñè âðàùåíèÿ ëèìáà è ïåðïåíäèêóëÿðíà åãî ïëîñêîñòè.
Îñâåòèòåëü 1 ïîäñâå÷èâàåò íà ëèìáå 2 ó÷àñòîê ñî øòðèõàìè, ýëåìåíò êîòîðîãî ðàçìåðîì 1,3×1,1 ìì (ïÿòü ïðîìåæóòêîâ ìåæäó øòðèõàìè) ïðîåöèðóåòñÿ ìèêðîîáúåêòèâîì 3 ñ óâåëè÷åíèåì 2,8× â ïëîñêîñòü ÏÇÑ-ìàòðèöû 4. Îñâåòèòåëü èìååò óñòàíîâî÷íûå ïîäâèæêè âäîëü îïòè÷åñêîé îñè â ïðåäåëàõ ± 1,5 ìì. Êîíòðîëü ðàâíîìåðíîñòè îñâåùåíèÿ ïðîâîäèòñÿ âèçóàëüíî ïî èçîáðàæåíèþ íà äèñïëåå êîìïüþòåðà. Ìèêðîîáúåêòèâ 3 èìååò ôîêóñèðîâî÷íóþ
3. Îïðåäåëåíèå ïîëîæåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà
Òåêóùåå ïîëîæåíèå òðóáû òåëåñêîïà îïðåäåëÿåòñÿ ñ ïîìîùüþ èçîáðàæåíèé ñ äâóõ ëèìáîâ – ÷àñîâîãî óãëà è ñêëîíåíèÿ. Äëÿ îñóùåñòâëåíèÿ ïðîöåññà íàâåäåíèÿ òðóáû òåëåñêîïà íà çàäàííûé îáúåêò â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå íåîáõîäèìî àâòîìàòè÷åñêè ðàñïîçíàâàòü öèôðîâûå îòñ÷åòû íà äàííûõ èçîáðàæåíèÿõ. Äëÿ ýòîãî èçîáðàæåíèå ñ ÏÇÑìàòðèöû çàõâàòûâàåòñÿ ñ ïîìîùüþ âèäåîäðàéâåðîâ â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè è ïåðåäàåòñÿ íà âõîä êîìïüþòåðíîé ïðîãðàììû â âèäå ãðàôè÷åñêèõ ôàéëîâ â ñòàíäàðòíîì ôîðìàòå. Òàêèì îáðàçîì, çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê ïîëó÷åíèþ öèôðîâîãî îòñ÷åòà ñ ãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ øêàëû ëèìáà.
Ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî çàäà÷à ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ íå ÿâëÿåòñÿ íîâîé.  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñóùåñòâóåò íåìàëî ðàçëè÷íûõ ïðîãðàìì, ïîçâîëÿþùèõ ðàñïîçíàâàòü èçîáðàæåíèÿ [4–13]. Ê ÷èñëó ñàìûõ èçâåñòíûõ èç íèõ îòíîñèòñÿ, íàïðèìåð, Fine Reader – î÷åíü ïîïóëÿðíàÿ ïðîãðàììà äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ áóêâ è öèôð íà ãðàôè÷åñêîì èçîáðàæåíèè.  ïîñëåäíåå âðåìÿ îñîáåííî àêòèâíî ðàçâèâàåòñÿ ñïîñîá ðåøåíèÿ äàííîé çàäà÷è ñ ïîìîùüþ íåéðîííûõ ñåòåé [6–13]. Îäíàêî ïîïûòêà ïðèìåíèòü óæå ñóùåñòâóþùèå ïðîãðàììû ê íàøåé çàäà÷å îêàçàëàñü íåóäà÷íîé. Äåëî â òîì, ÷òî âî âñåõ ñóùåñòâóþùèõ â äîñòóïíîì âèäå ïðîãðàììíûõ ïàêåòàõ, ïðåäíàçíà÷åííûõ äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ, äåëàåòñÿ óïîð íà óíèâåðñàëüíîñòü: ðåøàåòñÿ îáùàÿ çàäà÷à îïðåäåëåíèÿ è ðàñïîçíàâàíèÿ ñèìâîëà âïëîòü äî ïðèíàäëåæíîñòè áóêâ ê ðàçíûì àëôàâèòàì. Ðàçóìååòñÿ, óíèâåðñàëüíîñòü äîñòèãàåòñÿ çà ñ÷åò ïðîãðàììíûõ ðåñóðñîâ. À â íàøåì ñëó÷àå òðåáóåòñÿ ïðîñòîå, áûñòðîäåéñòâóþùåå ïðèëîæåíèå, ïîñêîëüêó ðå÷ü èäåò î ðàáîòå â ðåàëüíîì âðåìåíè è îò ñêîðîñòè ðàáîòû ïðîãðàììû çàâèñèò ñêîðîñòü íàâåäåíèÿ òå-
74 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ëåñêîïà íà îáúåêò. Êðîìå òîãî, â íàøèõ ãðàôè÷åñêèõ èçîáðàæåíèÿõ åñòü ñâîÿ ñïåöèôèêà. Íàì íàäî íå òîëüêî ðàñïîçíàòü öèôðû íà êàäðå, íî è øòðèõè, ñîîòâåòñòâóþùèå ìèíóòàì è ñåêóíäàì äóãè, à òàêæå ïîëîæåíèå ýòèõ øòðèõîâ îòíîñèòåëüíî öèôðîâîãî îòñ÷åòà. Ïîýòîìó áûëî ðåøåíî ñîçäàòü ñïåöèàëüíûé àëãîðèòì, ðåøàþùèé äàííóþ çàäà÷ó ñ ó÷åòîì åå ñïåöèôèêè.
Íàøà çàäà÷à óñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî èçîáðàæåíèÿ ñ ëèìáîâ ìîãóò èìåòü ðàçëè÷íîãî ðîäà îïòè÷åñêèå èñêàæåíèÿ, ó÷åñòü êîòîðûå â îáùåì âèäå äîñòàòî÷íî ïðîáëåìàòè÷íî. Íàïðèìåð, êàê âèäíî èç ðèñ. 3, êàæäîå èçîáðàæåíèå èìååò äîâîëüíî ñëîæíûé “ôîí”, ò. å. äåòàëè, êîòîðûå ïðèñóòñòâóþò íà âñåõ èçîáðàæåíèÿõ äàííîãî ëèìáà. Êðîìå òîãî, èçîáðàæåíèÿ öèôð (öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà) èñêàæàþòñÿ îïòè÷åñêèìè àáåððàöèÿìè, âñëåäñòâèå êîòîðûõ îäíè è òå æå öèôðû íà ðàçíûõ êàäðàõ âûãëÿäÿò ïî-ðàçíîìó, ÷òî íàãëÿäíî ïðîäåìîíñòðèðîâàíî íà ðèñ. 4. Çàäà÷à òàêæå ñèëüíî óñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó øòðèõàìè, ò. å. äåëåíèÿìè, ñîîòâåòñòâóþùèìè äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà, èñêàæàþòñÿ îïòè÷åñêîé äèñòîðñèåé, ÷òî âèäíî èç ãðàôèêà, ïðèâåäåííîãî íà ðèñ. 5 äëÿ îäíîãî èç ëèìáîâ. Íî ñàìîé áîëüøîé ïðîáëåìîé ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî êðîìå îáùèõ äåòàëåé ôîíà, ïðèñóòñòâóþùèõ íà âñåõ èçîáðàæåíèÿõ, êàæäîå îòäåëüíîå èçîáðàæåíèå ìîæåò èìåòü ñâîè äåòàëè, òàê íàçûâàåìûå “ïÿòíà” (stains), êîòîðûå ìîãóò âîçíèêàòü â ëþáîé åãî ÷àñòè è òàêèì îáðàçîì çàêðûâàòü ñîáîé ÷àñòü øòðèõîâ èëè öèôð. Áåçóñëîâíî, êà÷åñòâî ãðàôè÷åñêèõ èçîáðàæåíèé çà-
(à) (á)
Ðèñ. 3. Òèïè÷íûå èçîáðàæåíèÿ êîîðäèíàòíûõ øêàë ëèìáîâ t (à) è δ (á).
Ðèñ. 4. Öèôðà 1 íà ðàçíûõ èçîáðàæåíèÿõ ëèìáà t.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ΔÕ 39,4
39,0
38,6
38,2 20
60 100 140 180 Õ
Ðèñ. 5. Íåîäíîðîäíîñòü ðàññòîÿíèé ìåæäó øòðèõàìè äëÿ ëèìáà δ â ïðåäåëàõ êàäðà (äèñòîðñèÿ). Ïî ãîðèçîíòàëüíîé îñè îòëîæåíà øèðèíà êàäðà â ïèêñåëàõ (X), à ïî âåðòèêàëüíîé – ðàññòîÿíèå ìåæäó êàæäîé ïàðîé øòðèõîâ òàêæå â ïèêñåëàõ (ΔX).
âèñèò îò êà÷åñòâà îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, ñ ïîìîùüþ êîòîðîé îíè ïîëó÷àþòñÿ. Íî äàæå ñàìàÿ ñîâåðøåííàÿ îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà íå çàñòðàõîâàíà îò ïîäîáíûõ èñêàæåíèé. Êðîìå òîãî, ïðè ðàáîòå â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ ïðèáîð ìîæåò çàãðÿçíÿòüñÿ ñî âðåìåíåì, à òàêæå ìîãóò âîçíèêàòü îïòè÷åñêèå äåôîðìàöèè ïîä âîçäåéñòâèåì òåìïåðàòóðíûõ èçìåíåíèé, êîòîðûå â íàøåì êëèìàòå âåñüìà ñóùåñòâåííû. Ïîýòîìó ïîëåçíî èìåòü àëãîðèòì, êîòîðûé áóäåò ó÷èòûâàòü âñå ýòè âîçìîæíûå èñêàæåíèÿ ïðè ðàñïîçíàâàíèè îòñ÷åòà.
3.1. Ïðåäâàðèòåëüíàÿ îáðàáîòêà èçîáðàæåíèé
Çàäà÷à ó÷åòà îáùèõ äåòàëåé (ôîíà) èçîáðàæåíèé áûëà ðåøåíà ñëåäóþùèì îáðàçîì. Äëÿ íà÷àëà äëÿ êàæäîãî ëèìáà áûëî ïîëó÷åíî íåñêîëüêî èçîáðàæåíèé, êîòîðûå íàçâàëè “øàáëîííûìè”. Ïî ýòèì èçîáðàæåíèÿì âû÷èñëÿëîñü ìåäèàííîå çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòåé ñâåòà äëÿ êàæäîãî ïèêñåëà ñ êîîðäèíàòàìè i, j. Âû÷èñëåíèå èìåííî ìåäèàííîãî, à íå ñðåäíåãî çíà÷åíèÿ ïî âñåì îñíîâíûì “øàáëîíàì” ïîçâîëèëî èñêëþ÷èòü ñëó÷àéíûå ôëóêòóàöèè èíòåíñèâíîñòè â äàííîé òî÷êå i, j íà îòäåëüíûõ øàáëîíàõ.  ðåçóëüòàòå áûëà ïîëó÷åíà îáùàÿ äëÿ âñåõ øàáëîíîâ êàðòà ôîíà, êîòîðàÿ äîëæíà óñòðàíÿòüñÿ ïðè îáðàáîòêå êàæäîãî êàäðà â ðàáî÷åì ðåæèìå è òåì ñàìûì îáåñïå÷èâàòü èçáàâëåíèå èçîáðàæåíèÿ îò íåíóæíûõ äåòàëåé.
Äëÿ óñòðàíåíèÿ èíäèâèäóàëüíûõ ïÿòåí è íåîäíîðîäíîñòåé ôîíà, ïðèñóùèõ òîëüêî äàííîìó êàäðó, áûëî ââåäåíî ïîðîãîâîå çíà÷åíèå èíòåíñèâíîñòè ñâåòà F = Imin + 0,72(Imax – Imin), ãäå Imax è Imin – ñîîò-
75
âåòñòâåííî ìàêñèìàëüíîå è ìèíèìàëüíîå çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçîáðàæåíèÿ ñ óñòðàíåííîé íåîäíîðîäíîñòüþ ôîíà. Êîýôôèöèåíò 0,72 áûë îïðåäåëåí ýìïèðè÷åñêè, çíà÷åíèå åãî çàâèñèò ãëàâíûì îáðàçîì îò ñòåïåíè çàøóìëåííîñòè è êîíòðàñòíîñòè èçîáðàæåíèé. Çàâûøåííîå çíà÷åíèå ïîðîãîâîãî óðîâíÿ ïðèâåäåò ê áîëüøåé çàøóìëåííîñòè èçîáðàæåíèÿ è, òåì ñàìûì, ê äîïîëíèòåëüíûì òðóäíîñòÿì ïðè ðàñïîçíàâàíèè öèôð; íàîáîðîò, ïðè çàíèæåííîì åãî çíà÷åíèè âîçìîæíî ïðîïàäàíèå îòäåëüíûõ ó÷àñòêîâ öèôð èëè øòðèõîâ, èëè äàæå öåëûõ öèôð, èìåþùèõ íèçêóþ êîíòðàñòíîñòü ïî îòíîøåíèþ ê ôîíó. Ñèãíàëîì, ò. å. èíôîðìàòèâíîé ÷àñòüþ èçîáðàæåíèÿ, ñ÷èòàþòñÿ ïèêñåëû, èìåþùèå èíòåíñèâíîñòü Iij < F. Èì ñîïîñòàâëÿåòñÿ ÷åðíûé öâåò, à ïèêñåëàì ÿð÷å F – áåëûé. Òàêèì îáðàçîì, èçîáðàæåíèå ïåðåâîäèòñÿ â äâîè÷íûé ôîðìàò. Ýòî íåîáõîäèìî áûëî ñäåëàòü äëÿ îáëåã÷åíèÿ ðåàëèçàöèè îïèñàííîãî íèæå àëãîðèòìà î÷èùåíèÿ èçîáðàæåíèÿ îò ïÿòåí.
Äëÿ ýòîãî ðàññìàòðèâàëèñü èìåþùèåñÿ “øàáëîííûå” èçîáðàæåíèÿ è âûáèðàëèñü èç íèõ íåñêîëüêî “èäåàëüíûõ”, ò. å. íå èìåþùèõ íèêàêèõ äîïîëíèòåëüíûõ ïÿòåí, êðîìå îáùåãî ôîíà. Ýòî äåëàëîñü äëÿ òîãî, ÷òîáû ñ ïîìîùüþ òàêèõ “èäåàëüíûõ” øàáëîíîâ âû÷èñëèòü ñðåäíèå çíà÷åíèÿ, õàðàêòåðèçóþùèå öèôðû è øòðèõè, à èìåííî âûñîòó øòðèõà è öèôðû, ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè, èõ øèðèíó. Ýòè ñðåäíèå õàðàêòåðèñòèêè èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå îñíîâíûõ êðèòåðèåâ îòäåëåíèÿ ïÿòíà îò öèôðû èëè øòðèõà. Äëÿ êàæäîãî îáðàáàòûâàåìîãî èçîáðàæåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ îáëàñòè ëîêàëèçàöèè ÷åðíûõ ïèêñåëîâ, êîòîðûå ïîî÷åðåäíî ñðàâíèâàþòñÿ ñî ñðåäíèìè õàðàêòåðèñòèêàìè öèôðû è øòðèõà. Ïÿòíîì ñ÷èòàåòñÿ òî, ÷òî ðåçêî îòëè÷àåòñÿ õîòÿ áû ïî îäíîé èç ýòèõ õàðàêòåðèñòèê îò ñðåäíåãî. Òàêîå ïÿòíî “óäàëÿåòñÿ”, ò. å. âñåì åãî ïèêñåëàì ïðèñâàèâàåòñÿ áåëûé (ôîíîâûé) öâåò. Ñîîòâåòñòâåííî, òî, ÷òî íå ïîäïàäàåò ïîä ýòîò êðèòåðèé, ñ÷èòàåòñÿ öèôðîé èëè øòðèõîì.
Íàèáîëåå ñëîæíîé çàäà÷åé â äàííîé ïðîöåäóðå è âî âñåé ðàññìàòðèâàåìîé çàäà÷å âîîáùå ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå òðåáóåìîé ñòåïåíè îòëè÷èÿ îò ñðåäíåé õàðàêòåðèñòèêè, ïîñêîëüêó, â ñèëó, íàïðèìåð, ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé, îáóñëîâëåííûõ îïòèêîé âèäåîêàìåð, âûñîòà è øèðèíà öèôð íà ðàçíûõ êàäðàõ ìîæåò çàìåòíî ðàçëè÷àòüñÿ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïðèåìëåìîãî êðèòåðèÿ, íàðÿäó ñî ñðåäíèìè õàðàêòåðèñòèêàìè h, áûëè âû÷èñëåíû òàêæå îöåíêè ìàêñèìàëüíûõ îòêëîíåíèé îò ýòèõ ñðåäíèõ çíà÷åíèé σh. Òîãäà åñëè ñðåäíåå çíà÷åíèå íåêîòîðîé õàðàêòåðèñòèêè öèôðû ðàâíî h, òî ñîîòâåòñòâóþùóþ õàðàêòåðèñòèêó ðàññìàòðèâàåìîãî ïÿòíà h ñëåäóåò ñðàâíèâàòü ñ âåëè÷èíîé (h +σh), åñëè ìû õîòèì óáåäèòüñÿ, ÷òî âåëè÷èíà h íå áîëüøå ñðåäíåãî,
76
ñ âåëè÷èíîé (h – σh) äëÿ âûÿñíåíèÿ òîãî, ÷òî âåëè÷èíà h íå ìåíüøå ñîîòâåòñòâóþùåãî ñðåäíåãî.
3.2. Îïðåäåëåíèå öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà (ãðàäóñû)
Ïîñëå òîãî êàê èçîáðàæåíèå î÷èùåíî îò âîçìîæíûõ ïÿòåí, îòîæäåñòâëÿåòñÿ öåëàÿ ÷àñòü îòñ÷åòà (÷èñëî ãðàäóñîâ îò 0 äî 359), ò. å. ðàññìàòðèâàåòñÿ âåðõíÿÿ ÷àñòü èçîáðàæåíèÿ. Äëÿ ýòîãî áåðóòñÿ îñòàâøèåñÿ ïîñëå óäàëåíèÿ ïÿòåí ãðóïïû ÷åðíûõ ïèêñåëîâ (ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî âñå îíè ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé öèôðû) è âû÷èñëÿþòñÿ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè ïî ãîðèçîíòàëè. Åñëè ýòî ðàññòîÿíèå îêàçûâàåòñÿ ìåíüøå 15% îáùåé øèðèíû êàäðà (âåëè÷èíà, ïîäîáðàííàÿ ýìïèðè÷åñêè), òî òàêèå äâå öèôðû îáúåäèíÿþòñÿ â îäíó ãðóïïó, ò. å. â ÷èñëî.
Åñëè ãðóïï öèôð (÷èñåë) íà èçîáðàæåíèè îêàçûâàåòñÿ áîëåå îäíîãî, òî èç íèõ âûáèðàåòñÿ áëèæàéøåå ê öåíòðó èçîáðàæåíèÿ ïî ãîðèçîíòàëè. Îäíîâðåìåííî âû÷èñëÿåòñÿ êîîðäèíàòà ñåðåäèíû ýòîãî ÷èñëà, êîòîðàÿ ïîòðåáóåòñÿ â äàëüíåéøåì äëÿ îïðåäåëåíèÿ äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà.
Ðàñïîçíàâàíèå ÷èñëà ðåàëèçîâàíî ìåòîäîì ñðàâíåíèÿ ñ øàáëîíàìè. Ïðè ýòîì ÷èñëî, êîòîðîå òðåáóåòñÿ îòîæäåñòâèòü, ðàçáèâàåòñÿ íà îòäåëüíûå öèôðû, èç êîòîðûõ îíî ñîñòîèò, è êàæäàÿ öèôðà ñðàâíèâàåòñÿ ñî âñåìè øàáëîíàìè öèôð îò 0 äî 9. Øàáëîíû äëÿ öèôð áûëè ïîëó÷åíû èç øàáëîííûõ èçîáðàæåíèé ïóòåì ðàçáèâêè èõ íà îòäåëüíûå öèôðû. Ïðè ýòîì äëÿ êàæäîé öèôðû ìû èìååì íåñêîëüêî øàáëîíîâ è êàæäûé ðàç ñðàâíèâàåì ñî âñåé ñîâîêóïíîñòüþ øàáëîíîâ äëÿ êàæäîé öèôðû, ò. å. èñïîëüçóåì ñòàòèñòè÷åñêèé ïîäõîä. Òàêèì îáðàçîì, â íàñòîÿùåì àëãîðèòìå êàæäàÿ îòäåëüíàÿ öèôðà îòîæäåñòâëÿåìîãî ÷èñëà ïîî÷åðåäíî ñðàâíèâàåòñÿ ñî âñåìè èìåþùèìèñÿ øàáëîíàìè 0, çàòåì ñî âñåìè øàáëîíàìè 1 è ò. ä. äî 9 è âû÷èñëÿåòñÿ äîëÿ ñîâïàäåíèé ñ êàæäîé èç ýòèõ ñåðèé øàáëîíîâ. Îêîí÷àòåëüíî âûáèðàåòñÿ òà öèôðà, äëÿ êîòîðîé ýòà äîëÿ îêàçàëàñü íàèáîëüøåé. Òàêîé ïîäõîä, êàê ïîêàçûâàåò îïûò, ïîëíîñòüþ èñêëþ÷àåò âëèÿíèå øóìîâûõ è ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé îòäåëüíûõ öèôð (ðèñ. 4). Ðàçáèâêà æå ÷èñëà íà îòäåëüíûå öèôðû íåîáõîäèìà äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü âîçíèêíîâåíèÿ îøèáîê îòîæäåñòâëåíèÿ âñëåäñòâèå îïòè÷åñêèõ èñêàæåíèé, êîòîðûå ïðèâîäÿò ê òîìó, ÷òî ðàññòîÿíèÿ ìåæäó îòäåëüíûìè öèôðàìè â ÷èñëå íà ðàçíûõ èçîáðàæåíèÿõ ìîãóò çàìåòíî îòëè÷àòüñÿ äðóã îò äðóãà.
Îñòàíîâèìñÿ ïîäðîáíåå íà ìåòîäå ñðàâíåíèÿ äâîè÷íîãî èçîáðàæåíèÿ öèôðû ñ îòäåëüíûì øàáëîíîì. Ïðåæäå âñåãî èçîáðàæåíèå öèôðû è øàáëîía ïðèâîäÿòñÿ ê îäèíàêîâîìó ðàçìåðó óìåíüøåíèåì áîëüøåãî èç ýòèõ äâóõ èçîáðàæåíèé. Äåëàåòñÿ ýòî äëÿ òîãî, ÷òîáû èçáåæàòü äîïîëíèòåëüíûõ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
îøèáîê, ñâÿçàííûõ ñ íåñîâïàäåíèåì ðàçìåðîâ â ðåçóëüòàòå ãåîìåòðè÷åñêèõ èñêàæåíèé. Òàêæå çäåñü ðåàëèçîâàíà âîçìîæíîñòü ïåðåñ÷åòà èçîáðàæåíèÿ íà äðóãîå ðàçðåøåíèå (resampling).  äàííîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå ñ ÇÀ-320Ì ýòî íå èñïîëüçóåòñÿ, òàê êàê íå äàåò ñóùåñòâåííûõ óëó÷øåíèé, íî âîçìîæíî, ÷òî äëÿ äðóãèõ îïòè÷åñêèõ ñèñòåì ýòî îêàæåòñÿ ïîëåçíûì. Òàêæå ââîäèòñÿ êðèòåðèé øèðèíû: ñðàâíèâàþòñÿ òîëüêî òå öèôðû, äëÿ êîòîðûõ ðàçíîñòü èõ øèðèí íå ïðåâûøàåò îäíó òðåòü îò øèðèíû áîëüøåé èç öèôð. Äåëàåòñÿ ýòî äëÿ ïîâûøåíèÿ áûñòðîäåéñòâèÿ àëãîðèòìà, ïîñêîëüêó, íàïðèìåð, öèôðà “1” ïî øèðèíå ïî÷òè â äâà ðàçà ìåíüøå âñåõ îñòàëüíûõ è íåò íèêàêîé íåîáõîäèìîñòè ñðàâíèâàòü åå ñ äðóãèìè. Äëÿ ñðàâíåíèÿ èñïîëüçóåòñÿ ñëåäóþùèé ýâðèñòè÷åñêèé ïðèåì, íàïðàâëåííûé òàêæå íà óìåíüøåíèå âëèÿíèÿ øóìà. Êàæäàÿ öèôðà äåëèòñÿ íà 4 ÷àñòè (ìîçàèêîé), è ýòè ÷àñòè ñðàâíèâàþòñÿ ìåæäó ñîáîé ïî îòäåëüíîñòè. Ñðàâíåíèå ïðîèñõîäèò ïî âñåì ïèêñåëàì: è ÷åðíûì (èíôîðìàöèîííûì), è áåëûì (ôîíîâûì). Åñëè îáùåå êîëè÷åñòâî ñîâïàäàþùèõ ïèêñåëîâ â îäíîé èç ÷àñòåé ìåíüøå 75%, òî ÷èñëî ñîâïàäåíèé ïî äàííîìó ôðàãìåíòó ñ÷èòàåòñÿ íóëåâûì. Èíûìè ñëîâàìè, ïðè ñëèøêîì áîëüøîì ïîïèêñåëüíîì ðàçëè÷èè ôðàãìåíòîâ ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî “ôîðìà” öèôð â ýòèõ ôðàãìåíòàõ ðàçíàÿ è äàííûé ôðàãìåíò ìîæíî ïîëíîñòüþ èñêëþ÷èòü èç ðàññìîòðåíèÿ. Íàîáîðîò, åñëè ÷èñëî ñîâïàäåíèé ïðåâûøàåò 95%, îíî óñòàíàâëèâàåòñÿ ðàâíûì 100%, ò. å. ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî “ôîðìà” ôðàãìåíòîâ îäèíàêîâàÿ è ïðèîðèòåò äàííîãî øàáëîíà ñëåäóåò óâåëè÷èòü. Îêîí÷àòåëüíî ïîäñ÷èòûâàåòñÿ îáùåå ÷èñëî (â ïðîöåíòàõ) âû÷èñëåííûõ òàêèì îáðàçîì ñîâïàäåíèé ïî âñåì ÷åòûðåì ôðàãìåíòàì.
Òàêèì îáðàçîì, â ðåçóëüòàòå ïîñëåäîâàòåëüíîãî îòîæäåñòâëåíèÿ îïèñàííûì ñïîñîáîì îòäåëüíûõ öèôð (åñëè èõ áîëüøå îäíîé) ïîëó÷àåòñÿ èñêîìîå ÷èñëî, ñîîòâåòñòâóþùåå öåëîé ÷àñòè îòñ÷åòà.
3.3. Îïðåäåëåíèå äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà (ìèíóò è ñåêóíä)
Ïîñëåäíèì ýòàïîì äàííîé ïðîöåäóðû ÿâëÿåòñÿ îòîæäåñòâëåíèå äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà. Äëÿ ýòîãî îáðàáàòûâàåòñÿ íèæíÿÿ ïîëîâèíà êàäðà, ñîäåðæàùàÿ âåðòèêàëüíûå øòðèõè.  ñëó÷àå ëèìáîâ, èñïîëüçóåìûõ íà ÇÀ-320Ì, êàê óæå óïîìèíàëîñü âûøå, øòðèõè íàíåñåíû ïàðàìè ñ øàãîì 20′, òî÷íîìó çíà÷åíèþ äðîáíîé ÷àñòè îòñ÷åòà (0′, 20′, 40′) îòâå÷àåò ñåðåäèíà ñîîòâåòñòâóþùåé ïàðû øòðèõîâ (ðèñ. 3).
Ïðåæäå âñåãî ïóòåì ñêàíèðîâàíèÿ èçîáðàæåíèÿ è âûäåëåíèÿ îáëàñòåé ÷åðíûõ ïèêñåëîâ ïî ãîðèçîíòàëè îïðåäåëÿåòñÿ îáùåå êîëè÷åñòâî øòðèõîâ, îñòàâøèõñÿ ïîñëå ïðîöåäóðû óäàëåíèÿ ïÿòåí. Ïî-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
ñêîëüêó øòðèõè íà èçîáðàæåíèè ðàñïîëîæåíû ïàðàìè, ïðåæäå âñåãî íåîáõîäèìî âû÷èñëèòü óñðåäíåííûå ãîðèçîíòàëüíûå êîîðäèíàòû èõ ñåðåäèí, “òî÷íàÿ” ïèêñåëüíàÿ êîîðäèíàòà ñîîòâåòñòâóþùåãî îòñ÷åòà òîãäà âû÷èñëÿåòñÿ êàê ñðåäíåå àðèôìåòè÷åñêîå îò êîîðäèíàò ïàðû øòðèõîâ. Êîîðäèíàòîé îòäåëüíîãî øòðèõà ñ÷èòàåòñÿ óñðåäíåííàÿ ïî âåðòèêàëè âäîëü âñåãî øòðèõà X-êîîðäèíàòà öåíòðà òÿæåñòè, ðàññ÷èòàííàÿ ïî âñåé øèðèíå øòðèõà ñ íåêîòîðûì îòñòóïîì δx. Ïðè ýòîì èñïîëüçóþòñÿ çíà÷åíèÿ èíòåíñèâíîñòè, ïîëó÷åííûå èç èñõîäíîãî èçîáðàæåíèÿ â ãðàäàöèÿõ ñåðîãî, à íå äâîè÷íîãî (÷åðíî-áåëîãî) êàäðà.
⎛ y2 ⎞
∑X = ⎜⎜⎝ y=y1 X y ⎠⎟⎟ / ( y2 − y1 + 1) ,
(1)
ãäå y1 è y2 – ñîîòâåòñòâåííî íèæíÿÿ è âåðõíÿÿ ãðàíèöû øòðèõà, à X-êîîðäèíàòà öåíòðà òÿæåñòè äëÿ äàííîãî y
∑X
y
=
⎛ ⎜⎜⎝
x2 +δx x= x1 −δx
xJˆxy
⎞ ⎟⎠⎟
∑⎛
⎜⎜⎝
x2 +δx x= x1 −δx
Jˆxy
⎞ ⎟⎟⎠ ,
(2)
ãäå x1 è x2 – ëåâàÿ è ïðàâàÿ ãðàíèöû øòðèõà, à J^xy – çíà÷åíèå ñìåùåííîé èíòåíñèâíîñòè íåãàòèâà èñõîä-
íîãî èçîáðàæåíèÿ
Jˆxy
=
J xy
−
x1
−
δ
min
x ≤ x≤ x2
+
δ
x
J
xy
,
ïðè÷åì
Jxy = 1 – Ixy, Ixy ∈ [0, 1] – íîðìèðîâàííàÿ èíòåíñèâíîñòü ïèêñåëà ñ êîîðäèíàòàìè (x, y) íà èñõîäíîì
êàäðå.
Òàêèì îáðàçîì, ãîðèçîíòàëüíàÿ ïèêñåëüíàÿ êî-
îðäèíàòà ëþáîãî èç òî÷íûõ îòñ÷åòîâ (0′, 20′, 40′) íà èçîáðàæåíèè âû÷èñëÿåòñÿ êàê ñðåäíåå àðèôìå-
òè÷åñêîå âåëè÷èí X äëÿ ñîîòâåòñòâóþùåé ïàðû
øòðèõîâ.
 ðåçóëüòàòå îïèñàííîé âûøå ïðîöåäóðû ïîëó-
÷àåòñÿ íàáîð ïèêñåëüíûõ x-êîîðäèíàò Xi, i = 1, …, n, ñîîòâåòñòâóþùèõ îòñ÷åòàì ëèìáà, êðàòíûì 20′. Çàòåì îïðåäåëÿåòñÿ íîìåð k-ãî “îïîðíîãî” îòñ÷åòà,
áëèæàéøåãî ñëåâà ê ñåðåäèíå êàäðà, è èùåòñÿ
îòñ÷åò, áëèæàéøèé ê ïîëîæåíèþ öåíòðà ÷èñëà (îí
ñîîòâåòñòâóåò 0′, ò. å. öåëîìó ãðàäóñó). Òàêèì îáðàçîì, îïðåäåëÿåòñÿ àáñîëþòíîå çíà÷åíèå îïîðíîãî
îòñ÷åòà íà ëèìáå α0 è, òåì ñàìûì, èíòåðâàë [α0, α0 + 20′], â êîòîðîì íàõîäèòñÿ çíà÷åíèå èñêîìîãî îòñ÷åòà ëèìáà α, ñîîòâåòñòâóþùåå àáñîëþòíîìó ïîëîæåíèþ íà ëèìáå ñåðåäèíû êàäðà. Ïðè
ýòîì, ïî îðèåíòèðîâî÷íîìó ðàññòîÿíèþ (â ïèêñå-
ëàõ) ìåæäó ïîñëåäîâàòåëüíûìè ïàðàìè øòðè-
õîâ, ó÷èòûâàåòñÿ, ÷òî èç-çà íàëè÷èÿ ïÿòåí ÷àñòü
20′-íûõ ìåòîê ìåæäó ýòèìè äâóìÿ ìîãëà íå îòîæäåñòâèòüñÿ.
Ïîñëåäíèì ýòàïîì àëãîðèòìà ÿâëÿåòñÿ âû÷èñëå-
íèå ïîëîæåíèÿ ñåðåäèíû êàäðà (â ñåêóíäàõ äóãè)
77
âíóòðè íàéäåííîãî èíòåðâàëà [α0, α0 + 20′]. Êàê óæå óïîìèíàëîñü (ðèñ. 5), äàííàÿ çàäà÷à îñëîæíÿåòñÿ òåì, ÷òî ãîðèçîíòàëüíûé óãëîâîé ìàñøòàá èçîáðàæåíèÿ ∂α/∂x ÿâëÿåòñÿ íåîäíîðîäíûì â ïðåäåëàõ êàäðà, ò. å. çàâèñèò îò êîîðäèíàòû x. Âñëåäñòâèå ýòîãî, ðàññòîÿíèå â ïèêñåëàõ ìåæäó ïîñëåäîâàòåëüíûìè 20′-íûìè ìåòêàìè ΔXi = Xi + 1 – Xi, i = 1, …, n – 1, îêàçûâàåòñÿ ïåðåìåííûì.
Äëÿ êîððåêòíîãî ó÷åòà íåîäíîðîäíîñòè ìàñøòàáà çàâèñèìîñòü ΔXi(Xi) èíòåðïîëèðóåòñÿ ïîëèíîìîì ΔX(x) ñòåïåíè n – 2.  ïðåäïîëîæåíèè äîñòàòî÷íî ãëàäêîé âàðèàöèè óãëîâîãî ìàñøòàáà â ïðåäåëàõ êàäðà äàííûé ïîëèíîì ìîæíî ñ÷èòàòü àïïðîêñèìàöèåé çàâèñèìîñòè óãëîâîãî ìàñøòàáà ∂α/∂x îò êîîðäèíàòû x. Ïîñêîëüêó óãëîâîå ðàññòîÿíèå ìåæäó òî÷êàìè Xk è Xk +1 ñîñòàâëÿåò 20′, îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì âûðàæåíèå äëÿ èñêîìîãî îòñ÷åòà ëèìáà
⎛ Xc ⎞
∫α
=
α0
+
20
⎜ ⎝⎜
X
k
ΔX
(
x)dx
⎟ ⎠⎟
⎛ X k +1
⎞
∫⎜ ΔX (x)dx ⎟ ,
⎝⎜ Xk ⎟⎠
ãäå Xc – x-êîîðäèíàòà ñåðåäèíû êàäðà.
(3)
4. Çàêëþ÷åíèå
Ñîçäàííàÿ è îïèñàííàÿ â íàñòîÿùåé ðàáîòå ñèñòåìà àâòîìàòè÷åñêîãî íàâåäåíèÿ òðóáû çåðêàëüíîãî àñòðîãðàôà ÇÀ-320Ì íà çàäàííûé îáúåêò ÿâëÿåòñÿ âàæíûì ýòàïîì íà ïóòè ê ïîëíîé àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà äàííîì èíñòðóìåíòå.  ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîé ðàáîòû ñêîðîñòü íàâåäåíèÿ íà îáúåêò óâåëè÷èëàñü â äåñÿòêè ðàç. Åñëè ïðè íàâåäåíèè òåëåñêîïà íà îáúåêò â ðó÷íîì ðåæèìå èíîãäà ïðèõîäèëîñü çàòðà÷èâàòü äî 15 ìèí, òî òåïåðü ìàêñèìàëüíîå âðåìÿ, òðåáóåìîå äëÿ ïåðåìåùåíèÿ òðóáû â íóæíîå ïîëîæåíèå, ñîñòàâëÿåò 0,5–3 ìèí.
 ðàìêàõ äàííîé ðàáîòû áûë ñîçäàí àëãîðèòì ðàñïîçíàâàíèÿ èçîáðàæåíèé, ïîçâîëÿþùèé â àâòîìàòè÷åñêîì ðåæèìå îïðåäåëÿòü ïîëîæåíèå òðóáû òåëåñêîïà. Äàííûé àëãîðèòì ïðåäíàçíà÷åí äëÿ îïòèìàëüíîãî ðåøåíèÿ êîíêðåòíîé çàäà÷è ðàñïîçíàâàíèÿ öèôðîâîãî îòñ÷åòà (ãðàäóñ, ìèíóòà, ñåêóíäà) èç ãðàôè÷åñêîãî èçîáðàæåíèÿ ó÷àñòêà øêàëû ëèìáà. Ïðè ýòîì îí ó÷èòûâàåò ïðàêòè÷åñêè ëþáûå, äàæå ñàìûå ñèëüíûå, îïòè÷åñêèå èñêàæåíèÿ. Äàííûé àëãîðèòì ìîæåò áûòü ïðèìåíåí íå òîëüêî äëÿ àâòîìàòè÷åñêîãî óïðàâëåíèÿ òåëåñêîïîì, íî è äëÿ ëþáîé äðóãîé îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, äëÿ êîòîðîé ìîæåò âîçíèêíóòü ïîäîáíîãî ðîäà çàäà÷à.
Ê íàñòîÿùåìó ìîìåíòó âðåìåíè âñå îñíîâíûå ýòàïû àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì âûïîëíåíû è äàííûé èíñòðóìåíò ôóíêöèîíèðóåò êàê ïîëíîñòüþ àâòîìàòèçèðîâàííûé òåëåñêîï ñîâðåìåííîãî îáðàçöà. Íà
78
îñíîâå äàííîãî îïûòà âûïîëíÿåòñÿ ïðîöåññ àâòîìàòèçàöèè è íà äðóãèõ èíñòðóìåíòàõ Ïóëêîâñêîé îáñåðâàòîðèè.
Àâòîìàòèçàöèÿ ïðîöåññà íàáëþäåíèé íà äàííîì èíñòðóìåíòå ïîçâîëèëà óâåëè÷èòü ÷èñëî ðåøàåìûõ çàäà÷, à òàêæå óëó÷øèòü êà÷åñòâî íàáëþäåíèé. Òàê, îäíîé èç íàáëþäàòåëüíûõ ïðîãðàìì, ïðîâîäèìîé íà çåðêàëüíîì àñòðîãðàôå ÇÀ-320Ì, ÿâëÿåòñÿ ïðîãðàììà íàáëþäåíèé çà îáúåêòàìè, ñáëèæàþùèìèñÿ ñ Çåìëåé, ìåæäóíàðîäíàÿ ïðîãðàììà, â êîòîðîé ó÷àñòâóþò áîëåå 700 îáñåðâàòîðèé âñåãî ìèðà, âêëþ÷àÿ êðóïíåéøèå èç íèõ, íà êîòîðûõ èñïîëüçóþòñÿ ñïåöèàëüíûå òåëåñêîïû-àâòîìàòû, îðèåíòèðîâàííûå òîëüêî íà äàííóþ ïðîãðàììó. È ñðåäè âñåõ ýòèõ ó÷àñòíèêîâ ìû çàíèìàåì ïî êîëè÷åñòâó è ïî êà÷åñòâó íàáëþäåíèé 18-å ìåñòî. Êà÷åñòâî æå íàøèõ íàáëþäåíèé òàêîå, ÷òî çà 4 ãîäà ó÷àñòèÿ â äàííîé ïðîãðàììå íè îäíî íàøå íàáëþäåíèå íå áûëî çàáðàêîâàíî çà íåñîîòâåòñòâèå òðåáóåìîé òî÷íîñòè [13].
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Áåêÿøåâ Ð.Õ., Êàíàåâ È.È., Äåâÿòêèí À.Â., Ãîðøàíîâ Ä.Ë., Ãðèöóê À.Í., Êóëèø À.Ï., Ñâèäóíîâè÷ À.Ã., Øóìàõåð À.Â. Çåðêàëüíûé àñòðîãðàô ÇÀ-320ì // Èçâåñòèÿ ÃÀÎ. 1998. ¹ 213. Ñ. 249–258.
12. Áëàæêî Ñ.Í. Êóðñ ïðàêòè÷åñêîé àñòðîíîìèè. Ì: Íàóêà, 1979. 439 ñ.
13. Ìèõåëüñîí Í.Í. Îïòè÷åñêèå òåëåñêîïû. Òåîðèÿ è êîíñòðóêöèÿ. Ì., Íàóêà, 1976. 510 ñ.
14. http://ocrai.narod.ru/demoocr.htm
15. http://ocrai.narod.ru/hp.html
16. Cun Y. Le, Matan O., Boser B., Denker J.S., Henderson D., Howard R.E., Hubbard W., Jackel L.D., Baird H.S. Handwritten Zipcode Recognition with Multilayer Networks // Proc. of International Conference on Pattern Recognition. Atlantic City, 1990.
17. Krzyzak W., Dai, Suen C.Y. Unconstrained Handwritten Character Classification Using Modified Backpropagation Model // Proc. 1st Int. Workshop on Frontiers in Handwriting Recognition. Montreal, Canada, 1990. Ñ. 155–166.
18. Seong-Wang Lee, Young Joon Kim. Off-line Recognition of Totally Unconstrained Handwritten Numerals Using Multilayer Cluster Neural Network // Proc. of the 12th IAPR International Conference on Pattern Recognition. Jerusalem, Israel. 1994. Ñ. 507–509.
19. Fukushima K. Neocognition: a hierarchical neural network capable of visual pattern recognition // Neural Networks. 1 (2). 1988. Ñ. 119–130.
10. Knerr S., Personnaz L., Dreyfus G. Handwritten digit recognition by neural networks with single-layer training // IEEE Transactions on Neural Networks. 3. 1992. C. 962–968.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
11. Lee Y. Handwritten digit recognition using K nearesneighbor, radial-basis function, and back-propagation neural networks // Neural Computation 3. 1991. C. 440–449.
12. Martin G.L., Pitman J.A. Recognizing hand-printid letters
and digits using backpropagation learning // Neural Compution. 1991. 3. P. 258–267.
13. http://cfa-www.harvard.edu/iau/mpc.html
14. Ïîäîáåä Â.Â. Ôóíäàìåíòàëüíàÿ àñòðîìåòðèÿ. Ì.: Íàóêà, 1968. 452 ñ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 1, 2008
79