Sisteme ATTR

8/16/2019 Sisteme ATTR

1/11

Generalit # i privind sistemele de recunoa $tere automat a # intelor aeriene

3

GGeenneerraalliitt##ii pprriivviinndd ssiisstteemmeellee ddee rreeccuunnooaa$$tteerree aauuttoommaatt aa ##iinntteelloorr aaeerriieennee

11..11 IInnttrroodduucceerree î î nn ccoonncceepptt

Un sistem de recunoa $tere automat a # intelor aeriene ( Automatic T arget Recognition) apar ine clasei generice a sistemelor de tip ATTR ( AutomaticT arget T racking and Recognition).

În consecin!, cele dou! funcii fundamentale ale unui sistem ATTR, dup! cum rezult! $i din acronimul s!u, se refer ! la:

A. func # ia de urmrire Un sistem ATTR trebuie s! aib! capacitatea de a detecta $i urmri în

coordonate unghiulare inta selectat! din câmpul de vedere al senzorului (saumatrici de senzori) asignat acestuia. Tipul de senzor care asigur ! fluxulinformaional necesar îndeplinirii acestei funcii poate apar ine unor domeniispectrale diverse, mai uzuale fiind urm!toarele: video (spectrul vizibil),IR/termic (radiaii termice), radar (sisteme radar de înalt! rezoluie), laser etc.

În conformitate cu literatura de specialitate [1], pentru a asigura un nivelconsistent al preciziei de urm!rire pentru un asemenea sistem, este de preferatutilizarea unei matrici de senzori, iar sistemul ATTR astfel dezvoltat cap!t! atributul de sistem multisenzor (multisensor system). Senzorii utilizai în cadrulacestei matrice pot opera în acela$i domeniu spectral sau de cele mai multe ori,opereaz! în benzi de frecven! independente (în acest ultim caz discut!m despresisteme ATTR de tip multispectral ). Dup! cum vom demonstra $i în cazulfunciei de recunoa$tere $i în aceast! situaie este necesar ! dezvoltarea unoralgoritmi dedicai de fuziune a informa # iei, totul în ideea obinerii unui nivel de

performan! superior.B. func # ia de recunoa $tere Un sistem ATTR trebuie s! aib! capacitatea de a clasifica intele prezente

în câmpul de vedere al senzorului (senzorilor) asignat acestuia. Ulterior, pe bazaacces!rii unei baze de cuno $tin # e (structurat! în prealabil), funcia de clasificare

poate fi extrapolat! în funcia de recunoa $tere sau identificare a intelor(aeriene) prezente în spaiul s!u de aciune.

A$a dup! cum se meniona $i în cazul funciei de urm!rire, pentru a obinerate de clasificare superioare, fluxurile informaionale furnizate de c!tre

matricea de senzori trebuie fuzionate prin tehnici specifice, fie utilizând fuziuneade date (sau fuziunea de nivel sc zut ), fie fuziunea caracteristicilor (sau


2/11


4

fuziunea de nivel intermediar ) sau (de interes în cadrul lucr !rii de fa!), fuziuneadecizional (sau fuziunea de nivel înalt ). De asemenea, tot în contextultehnicilor de fuziune a informaiei, trebuie amintit $i faptul c!, pe lâng! cre$tereasubstanial! a performanelor de clasificare, un sistem ATTR multisenzor ofer !

$i o robustee accentuat! a clasificatorilor la aciunea factorilor perturbatori (încazul aplicaiilor militare, la aciunea echipamentelor de r !zboi electronic aleunui potenial adversar).

O alt! observaie foarte important! asupra funciilor elementare ale unuisistem de tip ATTR este $i cea referitoare la faptul c!, mecanismele defuncionare $i implementare efectiv! ale acestora nu trebuie analizate singular,

practic un asemenea sistem putând fi definit corect numai printr-o abordaredependent! a celor dou! funcii de baz!.

În consecin!, în Fig.1.1 este indicat! schema de principiu a unui sistem

ATTR multisenzor destinat urm!ririi $i recunoa$terii automate a intelor aeriene$i care încorporeaz! în arhitectura sa elemente specifice fuziunii informaionale.

Fig.1.1: Structura de principiu a unui sistem ATTR multisenzor

În continuare, este util! o descriere sintetic a elementelor componenteale arhitecturii unui sistem ATTR multisenzor. Prin urmare:


3/11


5

q dac! ne referim la subsistemul de achizi # ie $i preprocesare a datelor de intrare, acesta asigur ! obinerea fluxurilor informaionale primarecorespunz!toare arhitecturii matricei de senzori (practic, se obin seturi deimagini ale intei corespunz!tor fiec!rui domeniu spectral utilizat sau imageriile

asignate intei). 'inând cont de faptul c!, imaginile de intrare pot fi afectate deaciunea unor factori perturbatori spcifici $i pentru a asigura condiiile necesareobinerii unor performane de urm!rire $i clasificare corespunz!toare, acesteasunt trecute printr-un lan de proces!ri pentru îmbun!t!irea calit!ii acestora saucu alte cuvinte, sunt supuse preprocesrii. În consecin!, la ie$irea acestuisubsistem sunt obinute fluxurile informaionale individuale care ulterior, suntaplicate fie la subsistemul de detecie $i urm!rire, fie la cel de recunoa$tere sauclasificare.

q subsistemul de detec # ie $i urmrire a # intei are ca scop punerea în

eviden! a intei de interes $i urm!rirea acesteia în cadrul unui flux informaionalde intrare sau în cadrul tuturor fluxurilor. În acest ultim caz, utilizarea unortehnici specifice de fuziune a datelor este obligatorie. În final, informaiareferitoare la poziia spaial! a intei de interes este transmis! prin intermediulunui proces de tip feed-back (sau bucl urmritoare) c!tre matricea de senzori

pentru ajustarea corespunz!toare a câmpului de vedere asignat acesteia.q subsistemul de recunoa $tere sau clasificare este practic cel mai

important subsistem din cadrul unui sistem ATTR modern, afirmaie bazat! pe deo parte pe complexitatea sa structural! $i pe de alt! parte pe ponderea influenei

sale asupra performanelor de ansamblu a sistemului. De aceea practic, acestsubsistem reprezint! $i obiectul de studiu principal al lucr !rii de fa!.Fluxurile informaionale generate de blocul de achiziie $i preprocesare

sunt aplicate la intrarea blocului de extracie $i selecie a caracteristicilor undefiecare form! ( pattern) prezent! în imaginile de intrare este descris! într-un modconvenabil $i util procesului ulterior de clasificare. În final, utilizînd algoritmide fuziune decizional! convenabil ale$i, nivelul de performan! obinut la ie$ireafiec!rui clasificator este îmbun!t!it, iar sistemul ATTR furnizeaz! la ie$irea sainformaii utile despre intele aeriene prezente în zona sa de interes.

Pentru mai multe detalii asupra teoriei generale a sistemelor ATTR $i în particular, asupra teoriei sistemelor ATR multisenzor pot fi reg!site în referinele bibliografice [2] $i [3].

În finalul acestui capitol, ca o continuare logic! a preambulului teoreticindicat anterior, este util! dezvoltarea $i prezentarea unor arhitecturi moderne desisteme ATTR pentru cele mai uzitate fluxuri informaionale (imaginerii) deintrare, $i anume: video $i respectiv, HRR ( H igh Resolution Radar, Radioloca # iade înalt rezolu # ie). Prin urmare:


4/11


6

1.2 Exemple de sisteme ATTR moderne

1.2.1 Sistem ATTR specific imageriei video

Având ca punct de plecare considerentele teoretice anterioare, structurade principiu a unui sistem de urmrire $i recunoa $tere video a # intelor aeriene (video ATTR) va trebui s! conin! urm!toarele subsisteme standard:

Ø blocul de urmrire care va cuprinde: q blocul de achiziie a imaginilor video; q blocul de preprocesare a imaginii; q blocul de segmentare a imaginii; q blocul de poziionare a senzorului video; q blocul mecanic de rotire $i focalizare.

Fig.1.2: Structura de principiu a sistemului video ATTR

Ø blocul de recunoa $tere care va cuprinde: q blocul de selecie;q blocul de extracie $i selecie a caracteristicilor; q blocul propriu-zis de recunoa$tere/clasificare;

q

baza de date. Natural, integrarea funcion!rii tuturor acestor subsisteme în cadrul unuisistem funcional unitar este asigurat! de c!tre un pachet software specializat,creat în acest sens.

De asemenea, este interesant de subliniat c! prezena factorului uman încadrul sistemului propus este limitat : interaciunea cu baza de date are loc doarîn scopul îmbog!irii coninutului informaional al acesteia, iar cea cu blocul derecunoa$tere/clasificare are loc doar în faza de instruire (pentru cazul utiliz!riiunui clasificator neuronal supervizat) sau în situaii de risc major. Prin urmare,caracterul automat al sistemului propus este astfel asigurat.


5/11


7

În continuare, vor fi prezentate sintetic structura $i regimurile defuncionare specifice acestui sistem video ATTR. Astfel:

Ø blocul de urmrire Pentru achizi # ionarea imaginilor video $i transform!rii acestora în imagini

digitale, în principiu, sunt necesare dou elemente:q

un senzor (sau senzori) în domeniul vizibil cu rolul de a realizaconversia radiaiilor electromagnetice a unui mediu sau (scene) obiect fizic într-un semnal electric propor ional cu energia acestor radiaii;

q un dispozitiv de digitizare cu rolul de a realiza conversia (e$antionare$i cuantizare) semnalului analogic de la ie$irea senzorului într-un semnal digitalacceptat de c!tre sistemul de procesare.

Dup! obinerea imaginii în forma digital!, natural, urm!toarea etap! estestrâns legat! de preprocesarea acesteia. Scopul de baz! al preproces!rii const!

în îmbun!t!irea imaginii în sensul accentu!rii anumitor caracteristici pentru a oface mai elocvent! pentru diferite tipuri de proces!ri ulterioare.Principalele opera # iuni de îmbun!t!ire a imaginii care intereseaz! $i sunt

aplicate în continuare sunt urm!toarele:q accentuarea contrastului;q egalizarea de histogram!;q filtrarea zgomotului inerent dispozitivelor de procesare numeric!.Segmentarea imaginilor constituie o etap! fundamental! pentru reu$ita

procesului ulterior de recunoa$tere/clasificare a formelor de interes $i se refer ! la

descompunerea unei imagini (scene) în elementele sale componente.În cadrul sistemului video ATTR s-a optat pentru o segmentare orientat pe regiuni pe baza implement!rii unei tehnici de segmentare pe histogram.Explicaia alegerii modalit!ii respective de segmentare a imaginii este strânslegat! de comportamentul s!u bun (funcie $i de tipul de descriptori ai formeiutilizai ulterior) în cazul prezenei ocluziunilor (suprapuneri de obiecte înimaginea de interes) $i a imaginilor cu discontinuit!i interne.

Blocul de pozi # ionare a senzorului video este practic, elementul de for ! al blocului de urm!rire $i asigur ! o poziionare dinamic! eficient! a direciei devizare a senzorului video pe direcia intei de interes. Prin urmare acest bloc vagenera la ie$irea sa cele dou! semnale de corecie ( ),c cα β necesare dispuneriicorecte în spaiu a senzorului în raport cu inta urm!rit!.

Funcionarea acestui bloc este, în principiu, urm!toarea: s! presupunem c! se dispune de o secven! de imagini/cadre { } 0,1,2,...r r I = de-a lungul unui interval

de timp. Aceste imagini sunt procesate pentru a determina poziia centroiduluiintei de interes relativ la centrul imaginii video (Fig.1.3). Se dore$te utilizareaunei metode (în timp real) care s! determine evoluia spre zero a diferenelordintre centroidul formei $i respectiv, centrul imaginii video (firesc, semnalele de

corecie sunt propor ionale cu aceste diferene astfel calculate).


6/11


8

modul real de afi $are modul de calcul al eroriiFig.1.3: Display-ul sistemului video ATTR

De asemenea, trebuie precizat c! senzorul video este integrat într-omontur ! mecanic! special!, care permite deplasarea sa atât în azimut, cât $i înelevaie.

În consecin!, structura algoritmului de procesare care asigur ! urm!rireaintei de interes este urm!toarea:q

determinarea centroidului intei de interes, ( ),dx dy ;

q calculul diferenelor dintre centroid $i centrul imaginii video, ( ), x yd d ;

q determinarea semnalelor de corecie asociate, ( ), x yc c .

Fig.1.4: Dispunerea câmpurilor receptoare ale re # elei RBF

Sistemul de coordonate utilizat în calcule este unul dispus cu originea încentrul imaginii video (Fig.1.4), calculul centroidului intei de interes se face cuajutorul formulei standard de calcul, iar pentru determinarea efectiv! asemnalelor de corecie poate fi utilizat! spre exemplu, o reea neuronal! artificial! de tip RBF .

Reeaua neuronal! RBF va fi capabil! s! controleze poziia senzoruluivideo dup! faza de instruire. Valorile ponderilor spre stratul de ie$ire suntiniializate aleator, iar σ are o valoare constant!. De asemenea, trebuie menionatc! reeaua este antrenat! în sensul ajust!rii simultane atât a poziiei centrilor cât


7/11


9

$i a valorilor ponderilor spre stratul de ie$ire, în sensul minimiz!rii sumeierorilor p!tratice SSE ( sum-squared error ) de-a lungul traiectoriilor.

Pentru o descriere complet! a blocului de poziionare a senzorului video,trebuie precizate $i regimurile de func # ionare ale acestuia $i anume:

q

regimul de urm!rire, atunci când exist! o int! selectat! $i aceasta esteurm!rit! pe baza semnalelor de corecie generate de acest bloc;

q regimul de c!utare, atunci când nu este selectat! nici o int!, iar blocul

mecanic de rotire va primi un semnal de corecie care are ca efect rotirea pe ospiral! cu pas constant, într-un unghi solid determinat, a axei câmpului vizual alsenzorului video (pentru o acoperire cât mai uniform! a spaiului de c!utare).Comutarea spre cel!lalt regim de funcionare are loc atunci când o anumit! int! de interes este detectat! în câmpul s!u de vedere (comanda de comutare este

primit! de la blocul de recunoa$tere/clasificare, funcie de regimul de lucru al

acestuia).Funciile blocului mecanic de rotire $i focalizare sunt urm!toarele:

q asigur ! transformarea semnalelor de corecie asociate ( ), x yc c în

semnalele de corecie reale ( ),c cα β ;

q asigur ! amplificarea semnalelor de corecie reale ( ),c cα β ;

q asigur ! aplicarea semnalelor reale de corecie ( ),c cα β la motorul pascu pas destinat orient!rii senzorului video pe noua sa poziie;

q

asigur ! focalizarea automat! a dispozitivului de captare video.În consecin!, structura sa general este ilustrat! sintetic în Fig.1.5.

Fig.1.5: Schema de principiu a blocului mecanic de rotire $i focalizare

Ø

blocul de recunoa $tere Blocul de selec # ie este un element component important al subsistemului

de urm!rire $i are rolul de a realiza selecia intei (din câmpul vizual) pentru careva fi iniiat procesul de urm!rire $i recunoa$tere propriu-zis!. Structura acestui

bloc este indicat! în Fig.1.6.


8/11


10

Fig.1.6: Structura de principiu a blocului de selec # ie

Algoritmul de func # ionare a blocului de selecie poate fi rezumat astfel:

q

iniial, pentru fiecare regiune prezent! în cadrul imaginii curente suntdeterminate limitele ferestrelor de încadrare;

q funcie de lista de priorit!i setat!, din imaginea curent! este selectat!

prima regiune de interes;q dac! inta din regiunea selectat! este recunoascut!, atunci din imaginea

segmentat! curent! sunt eliminate toate celelalte detalii, iar în desf !$urareadinamic! ulterioar ! a procesului de urm!rire intereseaz! doar aceast! regiune.Dac! nu, este selectat! urm!toarea regiune de interes $i procesul anterior estereluat etc.

Structura de principiu a blocului de extrac # ie $i selec # ie a caracteristiciloreste prezentat! în Fig.1.7.

Fig.1.7: Structura de principiu a blocului de extrac # ie $i selec # ie

Funcionarea sa este relativ simpl!: forma selectat! din regiunea de intereseste descris! utilizând un set adecvat de descriptori ai formei (invarianiiFourier). Ulterior, pentru reducerea dimensiunii stratului neuronal de intrarecaracteristic clasificatorului neuronal, este utilizat! o metod! adecvat! de

proiecie (analiza componentelor principale).

Referitor la blocul de recunoa $tere este de preferat utilizarea unuiclasificator neuronal de tip supervizat (SART, MLP etc.) $i prin urmare, procesul


9/11


11

de clasificare respectiv va fi divizat în cele dou! etape caracteristice: etapa deantrenare $i respectiv, etapa de testare.

Pentru mai multe detalii teoretice referitoare la structura $i regimurile defuncionare specifice sistemului video ATTR, pot fi consultate referinele

bibliografice [3] $i [4].

1.2.2 Sistem ATTR specific imageriei HRR

Având ca punct de plecare fluxul informaional specific imageriei HRR, încontinuare este prezentat! principial, arhitectura unui sistem ATTR dezvoltat înacest sens. Cum funcia de detecie $i urm!rire a intei este implementat! relativsimplu cu ajutorul sistemului radar propriu-zis, util! r !mâne prezentarea pa$ilorspecifici implement!rii funciei de recunoa$tere sau clasificare. Astfel:

Ø

achizi # ia datelor primare În Fig.1.8 este prezentat pe scurt sistemul de m!surare utilizat pentruobinerea datelor experimentale de interes. Sistemul este comandat de c!tre uncalculator cu microprocesor specializat care permite m!surarea extrem decomod! a datelor primare utilizând programul HP-VEE (analog cu programul

LabView). Analizorul vectorial este de tipul Wiltron 360 $i comand! sintetizorulde frecven! $i dirijeaz! semnalul generat c!tre antena Cornet . Semnalulreflectat este recepionat cu o anten! identic! $i este ampificat cu un amplificatorde zgomot mic de Mitek .

Fig.1.8: Schema de principiu a pr # ii de achizi # ie a datelor

Ø generarea profilelor de distan #

Principiul de generare a profilelor de distan! pentru machetele de intereseste ilustrat schematic în Fig.1.9 $i presupune obinerea profilelor sintetice de


10/11


11/11


13

Fig.1.10: Datele m surate în coordonate polare $i cele interpolate încoordonate carteziene

Fig.1.11: Exemple de imagini HRR din baza de date

Pentru detalii suplimentare asupra arhitecturii $i funcionalit!ii unuisistem ATTR bazat pe utilizarea imageriei HRR, poate fi consultat! referina

bibliografic! [5].

Documents

Sisteme ATTR