Требования к алгоритмам слежения для оптико-электронных систем наведения.

Требования могут быть сформулированы следующим образом:

1. Слежение за объектами на большом диапазоне дистанций.

Современные боевые системы должны воздействовать на объекты по возможности на дальней границе зоны поражения, что требует обнаружить объект и начать слежение за ним до этого. Также такие системы должны эффективно следить за теми же объектами на близких дистанциях. Отсюда вытекают соответствующие требования к алгоритмам слежения, которые должны обеспечивать устойчивое слежение как за объектами очень малого размера (например, 4x4 пикселя), так и за объектами большого размера (например, 256x256 пикселей).

Таким образом, слежение за малоразмерными объектами требует работы алгоритма с «первичным» сигналом т.к. предварительное выделение каких-либо признаков эквивалентно снижению и так малого объема информации о нем, что в случае объекта размером 4x4 пиксела приведет к возрастанию вероятности срыва слежения. При этом система может изначально автоматически выбирать и переключать в процессе слежения тип используемого алгоритма.

2. Слежение за любыми типами объектов, на которые указал оператор.

Оптико-электронная система должна обеспечить устойчивое слежение за объектами любых типов, независимо от формы, размеров и цвета. Оптико-электронные системы наведения (речь идет именно о наведении на уже обнаруженный объект) не могут быть ориентированы на конкретный тип объектов ввиду повсеместного применения средств маскировки, искажающих форму и восприятие маскируемого объекта. Кроме этого, при слежении за малоразмерными объектами или за объектами на большом удалении в большинстве случаев классифицировать объект не представляется возможным.

Также это требование вытекает из алгоритмов функционирования систем наведения. Например, для боевых огневых модулей типичный алгоритм работы, следующий: при обнаружении объекта оптическими средствами (после предварительной разведки и целеуказания от других средств разведки) оператор осуществляет захват объекта на слежение путем «накидывания» на изображение объекта строба захвата (зачастую прямоугольной рамки). Для «оптимального» захвата объекта на слежение оператор должен выбрать размер строба равным изображению объекта на видео, подвести строб захвата на изображение объекта таким образом, чтобы изображение объекта находилось по центру строба и после этого выдать системе команду на захват. В боевом режиме оператор работает в условиях сильного стресса и имеет очень мало времени на осуществление этих действий.

Как правило оператор не думает о размере прямоугольнике захвата и имеет определенный набор типоразмеров и зачастую выставляет «средний» размер строба захвата. Кроме этого, в «ручном» режиме захвата расположить строба ровно над изображением объекта проблематично, особенно для динамичных маневрирующих объекта т.к. необходимо одновременно с захватом осуществлять разворот оптической системы за объектом. Зачастую захват производится за частью объекта. В этих условиях для алгоритма слежения нет определенного типа объектов, и он должен обеспечить слежение за всем, на что указал оператор.

3. Возможность изменения параметров слежения в процессе слежения.

Если захват на слежение произошел за частью изображения объекта или с «неоптимальным» размером строба, то оператор должен иметь возможность корректировки размеров и положения объекта без сброса и повторного захвата. Сброс и повторных захват объекта на слежения не допустим т.к. значительно снижает эффективность системы слежения, значительно добавляя зависимость эффективности системы от навыков конкретного оператора. После захвата объекта на слежение оператор должен иметь возможность скорректировать размеры строба слежения. При этом, корректировка размеров строба слежения должна выполняться на уровне алгоритма слежения, а не путем изменения размеров при отображении т.к. это делается прежде всего для повышения устойчивости слежения. В случае захвата стробом части объекта, оператор должен подвинуть строб в «оптимальную» позицию относительно изображения объекта, при этом сдвиг должен выполняться, как и для корректировки размеров строба, на уровне алгоритма, а не путем внесения поправок в выходные координаты алгоритма слежения. Все эти операции по возможности должны выполняться автоматически после команды оператора. Корректировка параметров должна быть доступна оператору в любой момент.

4. Минимальное количество настраиваемых оператором параметров.

Алгоритм слежения должен иметь по возможности одинаковую эффективность для любых условий наблюдения. Алгоритм слежения не должен выставлять требования к оператору по изменению его параметров в соответствии с условиями наблюдения. Оптико-электронная система наведения должна предъявлять по возможности минимальные требования к навыкам оператора. Основной фокус должен быть направлен на выполнение оператором основной функции – обеспечить качественных захват и слежение за объектом. Если от оператора требуется корректировать параметры алгоритма слежения в соответствии с условиями наблюдения или типом сопровождаемого объекта, то это значительно повышает требования к его навыкам и к системе подготовки, что может существенно осложнить работу эксплуатирующей систему организации. В случае, если оператор оказался недостаточно подготовлен (зачастую так и происходит), то он может неверно выполнить настройку, что снизит эффективность системы.

5. Стабильное время работы.

Вычисления, выполняемые алгоритмом слежения, должны выполняться по возможности за одинаковое время. При проектировании оптико-электронных систем наведения рассчитывают весь контур управления, часть которого являются алгоритм слежения. Время обработки одного кадра видео алгоритмом слежения является важной составляющей всего контура управления. При этом важно именно стабильность этого показателя. При проектировании оптико-электронной системы наведения при расчетах может быть заложено предельное работное время алгоритма слежения. В этом случае превышении этого лимита при работе системы может существенно снизить качество выполнения системой задач по предназначению.

6. Автоматическое обнаружение срыва слежения и режим пролонгирования траектории.

В оптико-электронных системах наведения алгоритм слежения является неотъемлемой частью контура управления. Условной единицей времени в таких системах является кадр видео т.к. расчет управляющих сигналов для исполнительных систем выполняется на основании результатов обработки кадров видео. В это связи важным требованием к алгоритму слежения является «непрерывность» выдаваемой координатной информации т.е. выдача координат объекта для каждого обрабатываемого кадра видео. После захвата объекта на слежение оптико-электронная система наведения поворачивает камеры за объектом (совмещая направление оптической оси системы с направлением на объект). Команды управления поворотом вырабатываются на основании координатной информации, поступающей от алгоритма слежения. Если объект теряется за препятствием или другой помехой, то алгоритм слежения должен обнаружить это и выдать сигнал срыва слежения. Как правило в процессе слежения потеря объекта из виду может происходить многократно на короткий промежуток времени. При этом оптико-электронная система наведения должна продолжать слежение. После обнаружения срыва объекта алгоритм слежения должен формировать координатную информацию об объекте на основании рассчитанных до срыва параметров его движения (составляющих скорости и ускорений) с признаком срыва.

Таким образом обеспечивается непрерывность информации от алгоритма и устойчивая работа контура управления. Как правило после срыва слежения оператор пытается найти объект повторно (это должен выполнять алгоритм автоматически по мере возможностей). Слежение за объектом обычно выполняется на максимальном приближении и в случае выхода объекта из узкого поля зрения (в случае потери и прекращения разворота системы) найти его повторно очень проблематично. В таких случаях очень важно не «разрывать» контур управления, а генерировать координатную информацию, но с признаком потери объекта. При повторном появлении объекта алгоритм должен автоматических произвести повторный захват на слежение (сбросить признак потери).

7. Высокая скорость расчетов.

Требование высоких скоростей расчета (минимального времени обработки одного кадра видео) особенно актуально для систем поражения. В таких системах очень важно удерживать центр оптической системы на объекте. Из-за задержек времени в тракте управления центр оптической системы отстает от центра изображения объекта. При этом потребителю передается координатная информация объекта, рассчитываемая на основании датчиков азимута и угла места поворотной системы. В этом случае координатная информация выдается с систематической ошибкой. Для равномерно двигающегося объекта возможно введение поправок, но для маневрирующего объекта – это неэффективно и приводит к большим ошибкам. В этой связи высокая скорость расчетов позволяет значительно снизить ошибку системы. Уменьшая постоянную времени, мы снижаем инерционность системы и повышаем точность, что особенно актуально для стрельбы.

8. Высокая точность рассчитываемых координат объекта.

Координатная информация, выдаваемая алгоритмом слежения, является первичной информацией в тракте управления. На основании координат и параметров движения объекта на кадрах видео формируются управляющие воздействия для разворота системы. Соответственно, ошибка присущая координатам после алгоритма слежения умножается в системе далее. Если оптико-электронная система имеет высокие требования к точности (в системах поражения), то изначально большая ошибка может нивелировать всю эффективность.

Таким образом, алгоритм слежения для оптико-электронных систем наведения должен формировать координаты объекта с минимальной ошибкой. Типичным требованием является точность в 1 пиксель и меньше.

9. Адаптация к изменению размеров и формы сопровождаемых объектов.

В процессе слежения за объектом он меняет свой ракурс. Алгоритм слежения должен адаптироваться к этому. При этом в случае слежения маневренными объектами ракурс может меняться очень быстро. Как правило оптико-электронные системы наведения используют вариофокальные объективы для возможности приближения изображения объекта. В этом случае алгоритм слежения должен адаптироваться к изменению размеров объекта.

Перечисленные выше требования, сформулированы исходя из специфики оптико-электронных систем наведения, потребителями информации от которых являются системы поражения. Данные требования могут служить основой для подбора алгоритмов в разрабатываемые боевые системы.


Команда разработчиков ООО «Солид» создает системы машинного зрения любой сложности, алгоритмы обнаружения, наведения и слежения за объектами на видео, которые находят своё применение:

  • в оптико-электронных системах наведения,

  • в системах прицеливания и разведки,

  • в беспилотных летательных аппаратах,

  • в системах обнаружения воздушных объектов,

  • в боевых модулях,

  • в системах управления огнем,

  • в зенитных комплексах,

  • в головках самонаведения,

  • в системах охранного видеонаблюдения,

  • в носимых, возимых и стационарных системах разведки и целеуказания,

Разработанные нами продукты легки в использовании и имеют высокую производительность. Каждый имеет возможность свободно протестировать наши алгоритмы технического зрения для своих условий применения. Если вы заинтересовались нашей продукцией или у вас есть идеи, которые мы могли бы реализовать, то мы всегда открыты для сотрудничества.

Vlad Boltrukevich