Ловить рыбку в мутной воде

Ученые ТУСУРа разработают системы навигации для роботов в условиях недостаточной видимости

 

Среди победителей конкурсов 2021 года на получение грантов Российского научного фонда – девять проектов молодых ученых Томского госуниверситета систем управления и радиоэлектроники. Проект доцента кафедры телевидения и управления Вячеслава Капустина «Активно-импульсные телевизионные измерительные системы для навигации автономных мобильных роботов в сложных условиях видения» стал победителем конкурса «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых».

Сквозь дым, туман и снегопад

В рамках работы над проектом ученые планируют создать датчик, который будет помогать роботам наземного, воздушного и морского базирования (в том числе беспилотным автомобилям) ориентироваться в условиях замутненной среды распространения оптического излучения (туман, дым, снегопад и так далее). В основе – применение метода подавления помехи обратного рассеяния.

– Если мы в условиях тумана посветим фонариком на объект, сформированное им пятно света будет рассеиваться на частичках воды во всех направлениях, в том числе и в обратном. Для наблюдателя это означает порой критическое падение контрастности объекта, а значит, и максимальной дальности его обнаружения, – рассказывает руководитель проекта доцент кафедры телевидения и управления Вячеслав Капустин. – Принцип активно-импульсного наблюдения, который мы планируем использовать для решения этой проблемы, известен достаточно давно, но мы делаем упор на разработку методов и средств для управления сигналами активно-импульсной системы особым образом, чтобы получать необходимые характеристики от датчика.

Как поясняет руководитель проекта, активно-импульсное наблюдение заключается в том, что устройством подсвета излучается короткий, длительностью в десятки или единицы наносекунд, но очень мощный оптический импульс с определенной частотой. Импульс подсвета может быть излучен в разных спектральных диапазонах: если мы говорим о подводных аппаратах, то это зеленый свет (потому что именно для зеленого света наименьший показатель поглощения в морской воде), если речь идет об атмосфере, это ИК-диапазон. После этого через задержку стробирования отраженный оптический импульс принимается фотоприемным устройством.

– Если открывать затвор фотоприемного устройства только в конкретные моменты времени и на очень небольшую длительность (сотни или десятки наносекунд), то мы сможем как бы выделить слой из наблюдаемой области, принимая отраженные фотоны источника подсвета только от объектов с определенного диапазона дальностей и игнорируя фотоны, рассеянные, например, на толще тумана, – уточняет ученый. – При нахождении объекта интереса в этом подсвеченном слое (это может быть пробегающее животное, пешеход, дорожный знак, препятствие на дороге) мы сможем его детектировать алгоритмами автоматического обнаружения объектов, а затем, используя нейросетевые технологии, определить, к какому классу принадлежит данный объект.

Как говорят исследователи, в их цели входит также задача разработки необходимых алгоритмов для того, чтобы датчик сигнализировал о наличии препятствия.

Построить карту глубины

– Но мы хотим пойти дальше: не только обнаруживать препятствия, но и определять, что конкретно там находится, какого рода это препятствие и на каком оно расстоянии. Если это пешеход, то система должна знать, что перед автомобилем на определенной дистанции в условиях тумана находится пешеход, – приводит пример Вячеслав Капустин. – Также наша система сможет распознавать дорожные знаки. Сейчас мы используем ближний ИК-диапазон излучения (850 нанометров), и картинка, которую мы получаем, отличается от той, которую можно наблюдать через обычную черно-белую камеру. Наша задача – адаптировать существующие алгоритмы распознавания и разработать новые для их эффективной работы с видеоданными, полученными с выхода активно-импульсной системы.

В состав группы ученых, которые приступили к работе над проектом, вошли восемь человек: от магистрантов и аспирантов до кандидатов наук. Объединив усилия, они планируют отработать технологии, которые позволят создать систему навигации на основе активно-импульсных телевизионных измерительных систем. По мнению автора проекта, прибор, который появится в результате исследований, сможет потеснить системы, которые сегодня используются на беспилотных автомобилях: камеры видимого диапазона, лидары и радары.

– Преимуществом активно-импульсной системы является ее независимость от условий освещения, возможность видеть объекты (детектировать их) в замутненных средах и измерять расстояние в каждом пикселе изображения – строить карту глубины, – поясняет Вячеслав Капустин. – Благодаря этому можно получить измерительный датчик, который даст возможность беспилотному транспорту, а также системам помощи водителю эффективно оценивать дорожную обстановку в сложных условиях видения.

Каждый на своем месте

Рассказывая о роли каждого из разработчиков в его группе, Вячеслав Валерьевич подчеркивает слаженность действий этого маленького коллектива. У каждого здесь своя роль.

– Курячий – самый старший, он единственный в группе, кому больше 35 лет. У Михаила Ивановича очень хорошая теоретическая база по обработке изображений, гигантский опыт. Иногда с его высоты усмиряет прыткость молодых сотрудников, – комментирует Капустин. – Андрей Мовчан – классический радиолюбитель, обожает работать с железом, собирает свои устройства, начиная с идеи и заканчивая физическим воплощением. Его роль – подготовка модулей для нашей системы, проведение экспериментов. Работа Андрея Каменского – ускорение алгоритмов. Ну и я как идейный вдохновитель и руководитель проекта. Также занимаюсь разработкой алгоритмов, всем, что касается технического зрения, обработкой результатов экспериментов и так далее.

Еще четверо участников группы – это еще более молодые ребята, аспиранты, инженеры, каждый из них работает в своем направлении, и все вместе участвуют в продвижении проекта. Кстати, грант рассчитан на три года с возможностью продления еще на два.

– Что касается планов, то они у нас наполеоновские, – говорит Вячеслав Капустин. – В сроки, конечно, планируем уложиться.

Основные исполнители проекта:

Вячеслав Капустин, кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и управления ТУСУРа, заведующий лабораторией телевизионной автоматики, руководитель проекта.

Область научных интересов: системы телевидения, цифровая обработка изображений, компьютерное зрение.

Михаил Курячий, кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и управления ТУСУРа, старший научный сотрудник лаборатории телевизионной автоматики, основной исполнитель проекта.

Область научных интересов: цифровая обработка сигналов и изображений, измерительное телевидение, видеоинформационные технологии.

Андрей Каменский, кандидат технических наук, доцент кафедры телевидения и управления ТУСУРа, старший научный сотрудник лаборатории телевизионной автоматики, основной исполнитель проекта.

Область научных интересов: цифровая обработка изображений, быстродействующие алгоритмы, телевизионные измерительные системы.

Андрей Мовчан, аспирант, ассистент кафедры телевидения и управления ТУСУРа, младший научный сотрудник лаборатории телевизионной автоматики, основной исполнитель проекта.

Область научных интересов: измерительное телевидение, схемотехника.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *