Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретическое и экспериментальное исследование световозвращательных характеристик оптических систем камер скрытого наблюдения 12
1.1 Основные сведение о системах скрытого видеонаблюдения 12
1.2 Анализ эффекта световозвращения, возникающего при лазерном зондировании оптических систем камер СВИД 17
1.3 Методика расчета величины показателя световозвращения для камер видеонаблюдения с объективами типа «pin-hole» в дифракционном и аберрационном приближениях 22
1.4 Разработка методики расчета световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД, основанной на автоматизированном расчете индикатрисы ретроотражения с использованием САПР Zemax и САПР Mathcad 29
1.5 Разработка методики расчета эталонных световозвращателей для измерения ПСВ камер СВИД 39
1.6 Разработка функциональной схемы экспериментального стенда для измерения световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД 43
1.7 Разработка методики измерений ПСВ и пеленгационной характеристики камеры скрытого видеонаблюдения 49
1.8 Разработка экспериментального стенда для измерения энергетических световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД 54
1.9 Анализ результатов измерения ПСВ и пеленгационных характеристик камер СВИД с объективами типа «pin-hole» 57
1.10 Выводы по первой главе 62
Глава 2. Разработка методики автоматического обнаружения камер скрытого видеонаблюдения 64
2.1 Анализ современного состояния приборов обнаружения СВИД 64
2.2 Обоснование структурно-функциональной схемы аппаратуры автоматизированного обнаружения СВ 70
2.3 Методика расчета предельной дальности обнаружения «pin-hole» камер со сверхнизким ПСВ на основе использования светоэнергетического расчета 75
2.3.1. Расчет среднего числа фотоэлектронов при детектировании сигнального и фонового излучений 80
2.3.2 Методика определения отношения сигнал/шум на выходе приемного канала аппаратуры 90
2.4 Анализ возможности повышения помехоустойчивости лазерных локационных систем, использующих эффект световозврашения 97
2.4.1.Разработка методики повышения помехоустойчивости аппаратуры обнаружения, основанной на автоматизированной регулировке мощности лазерного излучения 100
2.4.2. Разработка методики и алгоритма обработки видеоизображений для селекции световозвращателей от ложных целей 107
2.5 Анализ возможности использования лазерного фазового дальномера для автоматической регулировки мощности излучения подсвета обнаружения 116
2.5.1 Обоснование возможности использования фазового лазерного дальномера 116
2.5.2 Методика определения рабочих частот фазового дальномера 118
2.6 Выводы по второй главе 123
Глава 3. Экспериментальные исследования обнаружительных характеристик макетного образца прибора 125
3.1 Разработка макетного образца прибора «АнтиСВИД» 125
3.2 Экспериментальные исследования обнаружительных характеристик макетного образца прибора в условиях однородного фона 131
3.3 Анализ результатов экспериментальных исследований методик повышения помехоустойчивости макетного образца прибора
3.3.1 Экспериментальное исследование методики повышения помехоустойчивости аппаратуры обнаружения, основанной на автоматической регулировке мощности лазерного излучения подсвета 139
3.3.2 Экспериментальное исследование методики повышения помехоустойчивости, основанной на цифровой морфологической фильтрации видеоизображения 147
3.4 Выводы по третьей главе 160
Общие Выводы 161
Список литературы 1
- Разработка методики расчета световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД, основанной на автоматизированном расчете индикатрисы ретроотражения с использованием САПР Zemax и САПР Mathcad
- Обоснование структурно-функциональной схемы аппаратуры автоматизированного обнаружения СВ
- Разработка методики и алгоритма обработки видеоизображений для селекции световозвращателей от ложных целей
- Экспериментальное исследование методики повышения помехоустойчивости аппаратуры обнаружения, основанной на автоматической регулировке мощности лазерного излучения подсвета
Введение к работе
Актуальность. В последнее время в связи с существенным прогрессом в области видеотехники расширились возможности систем видеонаблюдения, в том числе и систем скрытого видеонаблюдения (СВИД). К этим системам относятся телевизионные камеры, имеющие малые габариты, оснащенные объективами типа «pin-hole» с диаметром входного зрачка от 1 до 3 мм и фоточувствительными ПЗС-матрицами небольших размеров, замаскированные на фоне естественных объектов. Такие камеры позволяют осуществлять несанкционированное получение видеоинформации, нанося ущерб, как частным компаниям, так и государственным структурам. Многие ведущие страны активно борются с распространением видеопиратства, в том числе с ведением несанкционированных съемок премьерных показов фильмов.
Одним из перспективных методов обнаружения систем видеонаблюдения является оптико-локационный метод, использующий эффект световозвращения, возникающий при лазерном зондировании видеокамер. Действительно, благодаря световозвращательной способности оптических систем наблюдения они переотражают зондирующее излучение в направлении подсвета. Эффективность световозвращения полностью определяется конструктивными и оптическими характеристиками обнаруживаемой системы, а так же длиной волны зондирующего излучения. Работы в данной области в настоящее время ведутся в конструкторском бюро приборостроения ООО «ТРАНСКРИПТ», МГТУ им. Н.Э. Баумана, ЗАО «СПЕКТР» и ряде зарубежных организаций: Корейском Политехническом Университете, компаниях «Doing-In» (Корея), «CILAS» (Франция), «Torrey Pines Logic», «Insight» (США) и др. Вопросам исследования эффекта световозвращения посвящены работы В.Е. Карасика, Н.В. Барышникова, А.Ф. Ширанкова, И.В. Животовского, В.Б. Бокшанского, М.В. Вязовых и зарубежных авторов: Gregory R, Osche, Seward, George H, и др. В этих работах основное внимание уделялось разработке методов расчета и измерения световозвращательных характеристик, а также вопросам реализации конкретных схемотехнических решений для обнаружения световозвращателей.
Действительно, в ряде указанных организаций в последние десятилетия были проведены исследования возможности обнаружения оптико-электронного прибора путем регистрации световозвращенного излучения от наблюдательных приборов, таких как видеокамеры, бинокли, снайперские прицелы, имеющие достаточно большие диаметры входных зрачков. В тоже время не менее актуальной задачей является обнаружение камер СВИД с объективами «pin-hole», которые маскируются в аксессуарах одежды, деталях бытовых устройств интерьерах помещений. До настоящего времени данный вопрос остается нерешенным в полной
мере. Специфика обнаружения оптических систем таких камер заключаются в том, что они обладают низкой отражательной способностью и большим диапазоном изменений показателя
СВетОВОЗВращенИЯ (ПСВ) В Пределах ОТ 10 4 ДО ХОТ1 м2 срад'1 в
зависимости от диаметра входного зрачка СВИД. Поэтому методика измерения отражательных характеристик оптических систем таких камер должна учитывать такие особенности. Отсутствие методики измерения отражательных характеристик оптических систем камер видеонаблюдения с объективами типа «pin-hole», имеющих сверхнизкий ПСВ, ограничивает возможность разработки локационных систем для обнаружения камер СВИД. Кроме того, мало изучен вопрос помехоустойчивости систем обнаружения камер СВИД с объективами типа «pin-hole» в условиях интенсивных помех, обусловленных диффузно отраженным лазерным излучением от фоновых объектов, особенно на малых дистанциях обнаружения.
В этой связи диссертационная работа, посвященная разработке методов расчета и методик измерений отражательных характеристик оптических систем камер СВИД и устройств для их обнаружения является весьма актуальной.
Цель диссертационной работы и задачи исследований. Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД и разработка устройств для их дистанционного обнаружения. Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие научно-технические задачи:
-
Проведение теоретических и экспериментальных исследований световозвращательных характеристик оптических систем специального класса ТВ-камер, предназначенных для СВИД, с последующим формированием банка данных световозвращательных характеристик (СВХ) типовых камер СВИД.
-
Разработка методики расчета отражательных характеристик оптических систем типа «pin-hole» ТВ-камер.
3. Разработка методики измерения и автоматизированного стенда для
измерения отражательных характеристик оптических систем камер СВИД
и проведение измерений для типовых камер СВИД.
4. Обоснование принципиальной возможности дистанционного
обнаружения ТВ-камер СВИД на основе использования эффекта
световозвращения. Разработка функциональной схемы аппаратуры
обнаружения световозвращателя (СВ) и методики определения предельной
дальности действия при различных условиях лазерного зондирования СВ.
5. Разработка методик повышения помехоустойчивости аппаратуры
обнаружения СВ, основанных на автоматической регулировке мощности
лазерного излучения подсвета и морфологической обработке
видеоизображений.
6. Проведение экспериментальных исследований с целью проверки
основных теоретических результатов диссертации с использованием
разработанного макетного образца аппаратуры «Антисвис».
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы методы теории оптико-электронных систем, теории обнаружения сигналов, методы математического моделирования, теории цифровой обработки видеоизображений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Научно обоснована принципиальная возможность дистанционного
обнаружения ТВ-камер скрытого наблюдения на основе использования
эффекта световозвращения.
-
Разработаны метод расчета, методика измерения световозвращательных характеристик камер СВИД типа «pin-hole», впервые измерены сверхнизкие значения ПСВ «ріп-1іо1е»-камер и их пеленгационные характеристики и сформирован банк данных измеренных ПСВ и пеленгационных характеристик видеокамер.
-
Разработана оригинальная, подтвержденная патентами на изобретения, методика повышения помехоустойчивости обнаружителя СВ, основанная на селекции ложных целей путем автоматизированной регулировки мощности излучения подсвета и морфологической обработки видеоизображений с помощью оконной фильтрации.
Практическая ценность заключается в том, что разработанные методики расчета и измерения СВХ оптических систем ТВ-камер специального типа, методики повышения помехоустойчивости аппаратуры могут найти применение при проектировании лазерных локационных систем, предназначенных для обнаружения камер СВИД с низкой отражательной способностью, а также при создании много спектральных комплексов для измерения отражательной способности лоцируемых объектов.
Реализация и внедрение результатов диссертационной работы.
Результаты исследований, выполненных в работе, использованы и внедрены в корейской компании ОАО «Dong-In» при разработке макетного образца прибора автоматизированного обнаружения СВ «АнтиСВИД» и в Корейском Политехническом Университете при создании экспериментального стенда для измерения ПСВ в диапазоне от ю-4 до 10~гм2 -срад1 и пеленгационных характеристик типовых камер СВИД.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на 21-ой международной научно-технической конференции «Современные телевидение и радиоэлектроника» (Москва, 2013), XXI международной научно-технической конференции «Лазеры в науке,
технике, медицине» (Сочи, 2010) и международной научно-технической конференции (20th Anniversary of Diplomatic Relations Between Russia and Korea) «Korea-Russia Science Conference» (Иркутск, 2010).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти статьях в журналах, входящих в Перечень ВАК РФ, в одной работе в корейском научном журнале.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы, содержащего 51 библиографических описаний цитируемых источников. Диссертация изложена на 173 страницах машинописного текста, включает 67 рисунков и 33 таблицы.
Разработка методики расчета световозвращательных характеристик оптических систем камер СВИД, основанной на автоматизированном расчете индикатрисы ретроотражения с использованием САПР Zemax и САПР Mathcad
В последнее время в связи со значительным прогрессом в области видео и микропроцессорной техники существенно расширились возможности систем видеонаблюдения в том числе и систем СВИД. Камеры СВИД могут размещаться в стенах внутренних помещений, монтироваться в переносных устройствах (папках, кейсах, рукоятках зонтов и др.), устанавливаться в автомобилях и прочих транспортных средствах, скрываться в деталях интерьера или одежды. В ряде случаев цена информации, полученной несанкционированным способом с помощью камер СВИД, является весьма высокой, особенно в сфере коммерческих услуг. Разновидностью камер СВИД являются видеокамеры, используемые для скрытой видеосъёмки (СВИС) в кинозалах. Как правило камеры СВИС отличаются большими габаритами, что обусловлено требованием получения высококачественных изображений, а следовательно, необходимостью использования более габаритной элементной базы (объективов, ПЗС-матриц, светофильтров и др.). Вместе с тем количество несанкционированных съемок в открытом пространстве непрерывно увеличивается из-за массового распространения сотовых телефонов, смартфонов, планшетов, оснащенных миниатюрными видеокамерами [3], поэтому в дальнейшем световозвращательные характеристики для указанных типов камер будут исследоваться совместно, а исключение составит небольшая группа светосильных высококачественных съемочных камер, используемых для профессионального видеопиратства в просмотровых залах на премьерных демонстрациях кинофильмов.
Любая камера СВИД содержит оптическую систему (объектив), формирующую изображение инспектируемого объекта или зоны пространства и фоточувствительный преобразователь на основе матричных приборов с зарядовой связью (ПЗС). Размер ПЗС матрицы определяется ее форматом (диагональным размером эквивалентного видикона), который измеряется в дюймах: 1/2", 1/4" ... и характеризует угловое поле камеры СВИД. Чем меньше формат матрицы ПЗС, тем миниатюрнее камера, и но при этом труднее реализовать требуемую разрешающую способность, порядка 350-600 твл.
Для увеличения угла обзора камеры с матрицами малого формата должны иметь очень короткофокусный объектив. При этом качество формируемого изображения будет определяться светосилой объектива, которая в свою очередь зависит от диаметра входного зрачка DBX И фокусного расстояния f. Практически все камеры СВИД характеризуются [2,4]: - малым диаметром входного зрачка объектива 1-2 мм и большим углом зрения до 120 ; - высокой чувствительностью (до 0,01 лк), позволяющей различать объекты в затемненном помещении, а также при ИК- подстветке и ночью ; - возможностью установки на любые элементы конструкции и детали интерьера благодаря малым размерам камеры; - способностью передачи ТВ-изображения по проводам, по оптиковолоконным жгутам и по радиоканалу; - обеспечением непрерывного скрытого наблюдения до 30 часов при установке автономного источника питания; - высоким качеством изображения с разрешением 400 твл.
Технические характеристики ряда миниатюрных ТВ-камер СВИД приведены в Таблице 1.1. Как правило, все камеры СВИД комплектуются объективами с вынесенным входным зрачком. Именно из-за малых размеров входного зрачка объектива маскировка бескорпусных и миниатюрных камер может быть самой различной: установка во входной двери, в панелях переговорного устройства, в щитах и приборах освещения и др. В таких объективах, называемых «pin-hole», плоскость входного зрачка совпадает с плоскостью апертурной диафрагмы, вынесенной перед передней линзой объективах [1]. В этом случае, уменьшение действующего отверстия объектива или расположение в его плоскости каких-либо диафрагмирующих элементов (сеток, щелей и др.) не приводит к уменьшению угла зрения объектива, а лишь снижает его светосилу. В зависимости от конструктивных особенностей конкретного объектива вынос зрачка осуществляется на 0,5-10 мм. Именно возможность установки на указанном расстоянии перед передней линзой маленьких отверстий, сеток, щелей и обеспечивает эффективную маскировку камеры для скрытого видения
Внешний вид некоторых миниатюрных ТВ-камер, принципиально пригодных для осуществления СВИД и СВИС, приведены на Рис. 1.1 [5-8], а способы их установки для конкретных ситуаций применения на Рис. 1.2 [14].
Обоснование структурно-функциональной схемы аппаратуры автоматизированного обнаружения СВ
Приборы «АнтиСВИД-1» и «АнтиСВИД-2» отличаются только размерами и степенью портативности. В данных приборах непосредственное обнаружение производится человеком-оператором. В последующих приборах «АнтиСВИД-3» и «АнтиСВИД-4» присутствует цифровая обработка изображения. Третий прибор серии производит пороговую обработку получаемого изображения для устранения внешних помех. В последнем поколении этих приборов «АнтиСВИД-4» присутствует цифровая обработка изображения, которая заключается в пороговой обработке получаемого после вычитания кадров изображения, а также в селекции крупных объектов с целью устранения помех от диффузно-отражающих объектов [16,35].
Принципиальное отличие данного прибора заключается в использовании системы синхронизации, которая позволяет получать два вида кадров: пассивный и активный. Пассивный кадр - это изображение полученное без использования лазерной подсветки. Активный кадр, соответственно получается с использованием подсветки. Конечное изображение формируется путём вычитания пассивного кадра из активного [34]. Система синхронизации рассчитывает время необходимое для съёмки. То есть система синхронизации управляет подсветкой и приёмной матрицей.
Пассивные и активные кадры, поступающие с ФПЗС, следуют в кадровую память номер 1. Затем, происходит вычитание двух кадров. Далее результат вычитания вместе с пассивным кадром посылается в кадровую память номер 2, и уже оттуда совместно выводятся на экран. Результат вычитания выглядит как метка в определенном месте изображения.
Алгоритм работы прибора «АнтиСВИД-4» не всегда эффективен с точки зрения помехоустойчивости. При работе ЛЛС на малых расстояниях до СВ на сложном фоне интенсивность диффузных помех становится соизмеримой с интенсивностью полезного сигнала, и превышает пороговое значение. В этом случае в процессе обнаружения присутствуют сигналы, как от СВ, так и от диффузных помех, причем селекция СВ позволяет устранить только крупные помеховые объекты . Поэтому весьма актуальной является разработка эффективного метода автоматизированного обнаружения СВ, обладающего повышенной помехоустойчивостью при работе в фоновых ситуациях (изменяющаяся дальность обнаружения и неоднородный фон).
Для обоснования эффективного метода автоматизированного обнаружения СВ в условиях интенсивных фоновых помех был проведён анализ большого числа полученных различных изображений, сформированных при наличии сигнального, диффузно отраженного и фонового излучений. Изображения были получены для различных мощностей лазерного излучения. На Рис. 2.4. представлены результаты обнаружения в виде графических изображений «pin-hole-P285200CPH» на дальности 6 метра.
Рис. 2.4 видно, что в зависимости от дальности до СВ и мощности лазерного излучения, интенсивность диффузно-отраженного блика значительно изменяется. На Рис. 2.4(a) мощность лазерной подсветки недостаточна для обнаружения цели. Напротив, на Рис. 2.4(6) мощность лазерной подсветки слишком велика, что приводит к появлению множества ложных целей.
Анализ результатов обнаружения прибора «АнтиСВИД-4» показывает, что существующий алгоритм обладает тем недостатком, что мощность излучения подсветки регулирируется непосредственно оператором. Недостаточно точная настройка уровня мощности подсветки, либо отсутствие такой настройки негативно влияет на обнаружительную способность прибора, особенно на малых расстояниях, где чрезмерная мощность лазера может создавать мешающую засветку. Помехи от диффузно отражающих поверхностей, превышающих пороговое значение, крайне негативно сказываются на правильном обнаружении цели, так как после вычитания пассивного кадра они остаются в виде ложных целей. Поэтому необходимо учитывать влияиние помех разнообразного рода, как фонового, так и диффузного отраженния, которые приводят к ухудшению обнаружительных характеристик, а иногда и к полной потере работоспособности системы. Предлагается разработать метод и аппаратуру автоматизированного обнаружения СВ с низким уровнем ПСВ, в том числе и камер СВИД, позволяющие устранить помехи, обусловленные фоновой засветкой и диффузно отраженным излучением от подстилающей поверхности.
Разрабатываемый прибор обнаружения СВ имеет важную особенность: он способен обнаруживать световозвращатели с очень маленьким ПСВ на небольших дальностях, например, в помещениях, кинотеатрах, в которых может находиться большое количество предметов. Диффузное отражение зондирующего излучения от этих предметов по интенсивности будет не меньше, чем световозвращенное излучение от обнаруживаемых объектов («pin-hole» видеокамеры, камеры мобильных телефонов). В такой ситуации диффузно-отраженное излучение будет являться помеховым излучением, ухудшающим обнаружительную способность прибора. Для решения этой проблемы предлагается регулировать мощность лазерного излучателя обнаружителя в зависимости от дальности, на которой расположены возможные световозвращающие объекты. При выборе оптимального значения мощности можно значительно снизить помеховое излучение от диффузных объектов, что позволит значительно уменьшить число ложных бликов. При этом интенсивность световозвращенного излучения будет достаточной для правильного обнаружения световозвращающих объектов. С другой стороны, малая мощность лазерного излучения обнаружителя приводит к уменьшению отношения сигнал/шум в процессорном блоке прибора, что снижает вероятность правильного обнаружения. Следовательно, регулировка мощности лазера обнаружителя в зависимости от расстояния до зондируемых объектов является одним из важных факторов в процессе обнаружения световозврашателей и повышения надежности процесса обнаружения. Благодаря реализации автоматизированной регулировки мощности зондирующего лазера можно улучшить обнаружительные характеристики прибора. Однако, процесс автоматизированнкой регулировки мощности лазера требует знания дальности до объектов наблюдения. Для этого предлагается использовать встроенный дальномер, который будет обеспечивать измерение дальности до СВ, по значениям которой по разработанному алгоритму можно рассчитать требуемую минимальную мощность излучения подсветки.
Кроме того, для повышения помехоустойчивости предлагается разработать метод, основанный на цифровой обработке регистрируемого изображения с целью селекции и последующего уменьшения влияния диффузно отраженного излучения на отношение сигнал/шум в изображении. Создание эффективного помехоустойчивого алгоритма автоматизированного обнаружения СВ на сложном фоне при различных дальностях (в том числе и экстремально малых) является весьма нетривиальной задачей и требует для её решения учета статистических свойств сигналов, обусловленных световозвращенным и диффузно отраженными излучениями, а также шумовых составляющих-фоновых и внутренных.
Разработка методики и алгоритма обработки видеоизображений для селекции световозвращателей от ложных целей
Анализ приведенных изображений показывает, что применяя метод вычитания кадров, можно исключить из рассмотрения помеховое излучение, облегчив при этом задачу обнаружения. Разностное изображение приведено на Рис. 2.23-6). В дальнейшем применение процесса вычитания кадров с пороговым значением позволяет снизить уровень диффузных помех. Однако на малых расстояниях все равно наблюдается присутствие не только полезного сигнала, но и диффузных помех, так что возникает задача селекции полезного сигнала и помех от диффузно отраженного излучения.
Алгоритм селекции объектов на изображении основан на различии геометрических форм и размеров бликов от инспектируемых СВ и диффузно отражающих объектов [40].
Действительно из анализа изображения (Рис. 2.17, 2.19) следует, что форма изображения бликов, формируемых СВ, близка к кругу, а «ложные» объекты в изображении в большинстве своём имеют произвольную форму. Также следует отметить, что форма изображения бликов от диффузно отраженного излучения значительно изменяется в зависимости от дальности до отражающих поверхностей и мощности лазерного излучения, в то время как изображение блика от «pin-hole» камеры сохраняет форму.
Как уже было отмечено, форма изображения бликов на всех трех изображениях (Рис. 2,16) близка к кругу, а «ложные» объекты на изображении имеют произвольную форму. Анализируя данные Таблицы 21, можно отметить, что количество пикселов, содержащихся в изображении бликов от камер, изменяется в зависимости от дальности до СВ и величины ПСВ. Однако, после 6 метров изображение блика занимает всего лишь один пиксел для всех исследуемых типов «pin-hole» камер. Такие особенности формы изображений бликов от СВ позволяют провести их селекцию при помощи специальных оконных фильтров, выделяющих на изображении только те объекты, чья форма близка к кругу и имеют площадь, меньше соответствующих значений из
Результаты анализов позволяют разработать метод цифровой обработки, который выделяет в бинарном изображении объекты, форма которых близка к кругу. Для этого используется набор оконных фильтров разного размера. Оконный фильтр [40] - это бинарная квадратная матрица, обладающая центральной симметрией, у которой отличные от нуля элементы расположены в центре и на границах. При уменьшении расстояния до СВ, размер изображения блика возрастает, что приводит к необходимости использования соответствующего размера фильтра. где Вгр, Вк, Вцтр - объекты бинарного изображения, образующийся после наложения фильтра на изображение и соответствующие границам, контрольным и центральным элементам окна, соответственно.
Под контрольными элементами будем понимать часть центральных элементов, используемых в фильтрах большого размера для предварительной оценки попадания объектов в центр окна. Поскольку на большей части бинарного изображения объекты отсутствуют, благодаря контрольным элементам можно значительно сократить число вычислений, что существенно повысит скорость работы алгоритма. С увеличением размера фильтра увеличивается объем вычислений, связанный с проверкой покрытия объектом круга компонента, поэтому целесообразнее сначала оценить контрольные точки. Если при наложении оконного фильтра на изображение выполняются первые два условия, то проверяется третье условие, иначе фильтр сдвигается вправо на один пиксель, и проверка начинается заново. По достижении фильтром правой границы бинарного изображения, фильтр смещается на одну строчку вниз и занимает крайнее левое положение.
Оконные фильтры размером 5x5, 6x6, 8x8 элементов: затемненные области элементы фильтра на границах окна и центральной части кругового примитива;
К - контрольные элементы Контрольные элементы целесообразно вводить при размере фильтра, превышающем 8x8 элементов. Начиная с фильтра размером 8x8 элементов, существует свободная зона по два пикселя с каждой стороны между элементами границ окна и центрального круга. Она предусмотрена для того, чтобы при помощи одного фильтра можно было выделять объекты, размеры которых отличаются на несколько пикселей. Второй причиной введения свободной зоны является тот факт, что бинарные изображения СВ [49] будут иметь несколько отличающуюся от круга форму. Реальная форма изображений СВ будет зависеть от следующих факторов: дефокусировки СВ на длине волны подсвета, расстояния до плоскости входного зрачка СВ, величины ПСВ. На рисунках 2.25, 2.26 приведены изображения, иллюстрирующие указанные зависимости.
Анализ приведенных изображений бликов от СВ показывает, что, во-первых, для того чтобы получить изображение блика от СВ на матрице, оптическая система СВ должна быть сфокусирована на длине волны, близкой к длине волны лазерного излучения, во-вторых, как правило, для одновременного обнаружения СВ различных классов (ПСВ которых различаются более чем на порядок) не представляется возможным обойтись одним универсальным оконным фильтром для обработки. Таким образом, необходимо иметь набор таких фильтров, которые имеют разные размеры для эффективного обнаружения СВ соответствующего класса.
Так как вышеописанный алгоритм требует параллельной обработки бинарного изображения несколькими оконными фильтрами, он может быть реализован на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС). Использование ПЛИС также позволяет обрабатывать видео с большим потоком данных в реальном времени.
На Рис. 2.27 представлены изображения, иллюстрирующие преимущества автоматизированного метода обнаружения СВ с последующим цвето-графическим кодированием в процесе селекции его. Когда световозвращатель находится на большом расстоянии от прибора обнаружения, оператору сложно заметить слабый яркостной блик от цели на экране без дополнительной графической информации. Благодаря автоматизации обнаружения СВ и цвето-графическому кодированию оператору легко установить факт наличия цели в поле зрения прибора - графическая метка в виде перекрестия обозначает обнаруженную цель, в качестве которой выступает миниатюрная камера с объективом «pin-hole».
Экспериментальное исследование методики повышения помехоустойчивости аппаратуры обнаружения, основанной на автоматической регулировке мощности лазерного излучения подсвета
Размер изображения блика от CCTV камеры на Рис. 3.10 а достаточно большой, поэтому для того, чтобы селектировать такой СВ, нужно использовать фильтр размером 11x11. На Рис. 3.10 б «pin-hole» камера была селектирована, начиная с фильтра размером 9x9 элементов, на Рис. 3.10 в - с фильтра размером 7x7 элементов.
Анализируя изображения, приведенные на Рис. 3.10, можно сделать следующий вывод: оптимальный размер оконного фильтра, применяемого в процессе фильтрации, зависит от расстояния до СВ, величины ПСВ, мощности лазерного излучения. Следует отметить, что при увеличении размера оконного фильтра возможно обнаружить ложные цели, которые будут попадать внутрь окна. Исходя из этого, следует выбирать соответствующий порядок фильтра, используемого при обработке, в зависимости от дальности, мощности лазерного излучения и величины ПСВ, что позволит обеспечить не только надежную селекцию световозвращателей с большим ПСВ, но и снизить число ложных целей. Выбор оптимального размера фильтра осуществляется совместно с регулировкой мощности лазерного излучения в зависимости от расстояния между системой обнаружения и обнаруживаемыми световозвращателями по данным о дальности. Использование оконных фильтров позволяет также осуществить селекцию различных СВ, в основном по ПСВ и дальности. Входными данными для анализа являются размеры бликов на изображении.
Эксперимент №1 - исследование зависимости помехоустойчивости обнаружителя «АнтиСВИД» от порядка морфологического фильтра при различных подстилающих фонах.
Размеры оконных фильтров варьировались от h3 до hi 1. представлены изображения, полученные на различном фоне: (а), в) - высококонтрастный сложный фон, б), г) - диффузное отражение от фона минимально. Для создания сложного фона были использованы объекты с высоким коэффициентом отражения, такие как мятая полиэтиленовая плёнка и металлические конструкции.
В рамках проведенных исследований была проведена работа с более чем 10-ю различными видами фона. Ниже, в Таблице от 26 до 31 представлены данные о количестве ложных целей при наличии/отсутствии СВ в поле зрения прибора обнаружения для разных оконных фильтров и разных фоновых условий. При небольших расстояниях, размер блика от СВ занимает несколько пикселей и изменяется в зависимости от дальности до СВ. На рисунке 3.12 представлены изображения блика от СВ в зависимости от различных дальностей и величины ПСВ.
Анализ данных вышеприведенных Таблиц позволяет заключить, что количество ложных целей сильно отличается для изображений, полученных на сложном и простом фонах. При наличии интенсивного диффузно-отражающего фона количество ложных целей ожидаемо резко возрастает. Тем не менее, применяя различные оконные фильтры в алгоритме селекции, можно минимизировать количество ложных целей и обнаружить СВ даже на сложном фоне. На. Рис. 3.13 представлены расчетные значения количества пикселей, занимаемых бликами (красная линия) и экспериментальные данные (лиловые квадраты) по количеству пикселей в блике. Красными зонами выделены оптимальные области для применения оконного фильтра того или иного размера.
Проведенные экспериментальные исследования позволяют определить оптимальный размер фильтра в зависимости от дальности. Конечные данные по оптимальным размерам фильтра выглядят следующим образом: для расстояния 2 метра фильтр h20- nil, для 3 метров - hll-h9, для 4-5 метров - h9-h5, для дальностей 6-7 метров - h5-h3, для расстояния более 8 метров оптимальным является фильтр h3. Полученные экспериментальные данные хорошо коррелируются с расчетными значениями, полученными по разработанной в гл. 2 методике.
Ниже представлены Таблицы 32, 33, в которых содержатся результаты экспериментального исследования эффективности селекции ложных целей при различных расстояниях до СВ при фиксированной мощности излучения подсвета 0,9 мВт. Для наглядного сравнения в данной Таблице имеются данные как с использованием оконного фильтра, так и без обработки при идентичных остальных условиях.
В результате проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующий вывод: Использование оконных фильтров для определенных дальностей обнаружения позволяет значительно уменьшить количество ложных целей. Данная методика позволяет достичь близкую к 100% эффективность селекции ложных целей в условиях однородного фона.
Для сложного фона применение данной методики хотя и не обеспечивает 100% эффективность селекции ложных целей, однако позволяет значительно улучшить помехоустойчивость обнаружителя «АнтиСВИД».
Согласно экспериментальным данным, для сложных условий фона эффективность селекции ложных целей на расстояниях от 2 до 5 метров не превышает 50 процентов.
Такое снижение эффективности селекции ложных целей можно объяснить тем, что мощность подсвета была фиксированной, что повлекло за собой значительное увеличение диффузных помех на близких расстояниях. Поэтому в данном случае для улучшения помехоустойчивости на сложном фоне, необходимо использовать не только цифровую фильтрацию для селекции СВ на изображении, но и одновременно осуществлять автоматизированную регулировку мощности подсвета.
Эксперимент №2 - исследование зависимости помехоустойчивости обнаружителя «АнтиСВИД» от параметров морфологического фильтра и мощности лазерного зондирующего излучения при различных подстилающих фонах.
На данном этапе экспериментальных исследований оценивалась эффективность совместного использования методики селекции СВ на изображении за счет цифровой фильтрации и методики регулировки мощности лазерного излучения в зависимости от дальности с целью повышения помехоустойчвости. На рис 3.14, 3.15 представлены результаты экспериментальных исследований с применением обеих методик для оценки эффективности методики повышения помехоустойчвости при различных фоновых условиях. Эффективность помехоустойчивости во всем диапазоне (от 2 до 8 метров) составляет практически 90 процентов. Использование комбинированной методики обеспечило повышение помехоустойчивости для всех трех видов используемых «pin-hole» камер, что выразилось в увеличении К с 0,03 до 0,87.