Активно-импульсные телевизионные измерительные системы с повышенной устойчивостью к оптическим помехам Капустин Вячеслав Валериевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Активно-импульсные телевизионные системы 13

1.1 Описание предметной области 13

1.1.1 Отечественные производители АИ ТС 16

1.1.2 Зарубежные производители АИ ТС 17

1.1.3 Принципы построения АИ ТС на базе ЭОП 18

1.1.4 Классификация ЭОП

1.2 Измерение расстояния с использованием АИ ТС 28

1.3 Среда распространения излучения 30

1.4 Основные результаты главы 32

2. Пространственно-временная обработка изображений АИ ТИС 34

2.1 Моделирование активной зоны видения 34

2.2 Пространственно-временная фильтрация изображений АИ ТИС по дальности 45

2.3 Вычисление «цветовой палитры» объектов на изображениях АИ ТИС по дальности 48

2.4 Основные результаты главы 50

3. Экспериментальные исследования макета АИ ТИС 52

3.1 Описание макета АИ ТИС 52

3.2 Экспериментальные исследования макета АИ ТИС в большой аэрозольной камере (БАК) 62

3.3 Основные результаты главы 72

4. Разработка программного обеспечения 73

4.1 Программа для измерения разрешающей способности телевизионных изображений 73

4.2 Программа для коррекции сферической дисторсии телевизионных изображений з

4.3 Программа для анализа характеристик внутрикадровой компрессии видеоданных 87

4.4 Основные результаты главы 91

5. Использование результатов диссертационного исследования 92

5.1 Применение пространственно-временной фильтрации изображений по дальности 92

5.2 Применение цветового представления изображений по дальности 95

5.3 Измерение разрешающей способности макета АИ ТИС 97

5.4 Основные результаты главы 100

Заключение 101

Список сокращений и условных обозначений 103

Список литературы 104

• Отечественные производители АИ ТС
• Измерение расстояния с использованием АИ ТС
• Вычисление «цветовой палитры» объектов на изображениях АИ ТИС по дальности
• Программа для коррекции сферической дисторсии телевизионных изображений

Введение к работе

Актуальность работы

В настоящие время в науке и технике все более широкое распространение приобретают системы технического видения, способные эффективно решать задачи поиска, обнаружения и распознавания объектов интереса в сложных условиях видимости (туман, дымка, пыль, снегопад и т.п.).

К телевизионным системам способным эффективно работать в сложных условиях видимости можно отнести:

тепловизионные системы;

активно-импульсные телевизионные системы (АИ ТС). Дальность действия и вероятность распознавания объектов

традиционными телевизионными системами наблюдения

значительно ограничивается в условиях пониженной прозрачности
среды распространения. Основной причиной ограничения

дальности обнаружения и идентификации объектов интереса в сложных условиях видимости является воздействие помехи обратного рассеивания.

Помеха обратного рассеивания возникает из-за рассеяния фотонов света в аэрозолях атмосферы в направлении наблюдателя, что приводит к значительному снижению контраста изображения, и как следствие, к невозможности обнаружения и распознавания объектов интереса.

Основными достоинствами АИ ТС являются устранение
помехи обратного рассеивания и значительное ослабление световых
помех естественной и искусственной природы. Принцип работы
АИ ТС основан на импульсном подсвете пространства и
стробировании по времени фотоприемного устройства,

оснащённого быстродействующим затвором. Импульсный режим работы системы позволяет сформировать активную зону видения и исключить все, что находится за ее пределами.

В качестве фотоприемного устройства в АИ ТС, как правило, применяется электронно-оптический преобразователь (ЭОП), работающий в режиме стробирования. В данном случае ЭОП, выполняет роль быстродействующего электронного затвора и усилителя яркости изображения. Для получения видеосигнала ЭОП согласуется с телевизионной камерой.

В качестве устройства подсвета для АИ ТС в основном применяются осветители на базе лазеров или светодиодов, работающих в импульсном режиме. Длительность импульсов подсвета, может составлять десятки или единицы наносекунд, что позволяет добиться высокой импульсной мощности, а малое время экспозиции фотоприемника значительно снижает чувствительность системы к фоновым излучениям.

Управление дальностью наблюдения осуществляется путем
изменения задержки открытия затвора фотоприемника

относительно импульса подсвета (задержка стробирования). Регулировка задержки стробирования ЭОП позволяет получить информацию о дальности до объекта наблюдения с определенной погрешностью, которая будет зависеть от глубины и формы активной зоны видения.

За счет особенностей конструкции АИ ТС обладают высоким диапазоном регулировки чувствительности к освещенности. Помимо изменения значения диафрагмы входного объектива, управлять чувствительностью системы можно путем изменения коэффициента усиления ЭОП, коэффициента усиления ТВ камеры, изменения частоты, длительности и амплитуды импульсов подсвета и импульсов стробирования ЭОП, обеспечивая регулировку входной освещенности в диапазоне от 10^–4 лк до 10⁵ лк. Высокий диапазон регулировки чувствительности к освещенности позволяет повысить качество изображения и помехоустойчивость системы при воздействии естественных и искусственных оптических помех.

Исследованиям активно-импульсных телевизионных систем и повышению их помехоустойчивости посвящены работы таких специалистов как А.А. Лебедев, М.М. Бутслов, В.Г. Волков, П.Д. Гиндин, И.Л. Гейхман, В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков, Ю.К. Грузевич, В.В. Белов, А. К. Цыцулин, А. А. Манцветов, N.S. Kopeika, X. Wang.

Однако ряд вопросов в обозначенном выше направлении остается нерешенным. Во многих работах, не рассмотрены методы цифровой обработки изображений, получаемых в АИ ТС. Не рассмотрены особенности работы АИ ТС в ближней зоне наблюдения, весьма обобщенно рассмотрен вопрос определения расстояния до наблюдаемых объектов.

Цель работы – повышение устойчивости активно-импульсных телевизионных измерительных систем (АИ ТИС) к воздействию оптических помех и точности определения расстояния до объектов наблюдения.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи.

1. Вычислить форму активной зоны видения АИ ТИС с учетом реальных сигналов и искажений, возникающих в среде распространения.

2. Разработать методы пространственно-временной фильтрации изображений АИ ТИС по дальности для повышения помехоустойчивости системы и точности определения расстояния до объектов наблюдения.

3. Разработать программные модули для обработки изображений АИ ТИС и измерения их характеристик.

4. Провести экспериментальные исследования макета АИ ТИС в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения.

5. По результатам экспериментальных исследований подтвердить правильность расчета активной зоны видения, эффективность методов пространственно-временной фильтрации изображений АИ ТИС по дальности, достоверность измерения разрешающей способности макета АИ ТИС в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения.

Научная новизна

6. Получено выражение для расчета формы активной зоны видения активно-импульсных телевизионных измерительных систем (АИ ТИС) в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения, по которому оценены искажения формы активной зоны видения АИ ТИС на малых дальностях наблюдения и определены соотношения длительностей импульсов источника подсвета и фотоприемного устройства для минимизации данных искажений.

7. Предложен способ повышения устойчивости АИ ТИС к оптическим помехам и сокращения глубины активной зоны видения, отличающийся пространственно-временной обработкой изображений по дальности с использованием межкадровых разностей.

3. Разработан метод повышения точности определения расстояния до объекта наблюдения, основанный на вычислении «цветовой палитры», отличающийся использованием данных от трех взаимопересекающихся активных зон видения.

Теоретическая значимость

8. Предложено выражение для вычисления формы активной зоны видения с учетом ослабления световой энергии в пространстве пропорционально квадрату расстояния и функции ослабления среды распространения.

9. Предложены выражения для определения характерных точек активной зоны видения.

10. Предложены разностные уравнения для пространственно-временной фильтрации изображений АИ ТИС по дальности.

Практическая значимость

11. Экспериментально подтверждено повышение качества изображения при коррекции соотношения длительностей импульсов стробирования электронно-оптического преобразователя и импульсов источника подсвета на малых дальностях наблюдения.

12. Разработано программное обеспечение для обработки изображений АИ ТИС: измеритель разрешающей способности, корректор сферической дисторсии, анализатор внутрикадровой компрессии.

13. Получена зависимость разрешающей способности изображений АИ ТИС от прозрачности среды распространения.

14. Экспериментально подтверждена эффективность метода пространственно-временной обработки изображений АИ ТИС по дальности.

15. Проведены натурные испытания макета АИ ТИС в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения.

16. Составлена обширная база изображений АИ ТИС, полученных в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения (дым, туман) в различных режимах работы системы.

Методология и методы исследования

Предполагаемые методы исследования включают в себя экспериментальные и теоретические методы, заключающиеся в получении определённых характеристик АИ ТИС расчётным путём и последующем сравнении полученных данных с результатами натурных испытаний. В частности, среди теоретических методов исследования применялись: численные методы расчётов, теория вероятностей, математическая статистика и математическое моделирование.

Достоверность результатов

Достоверность результатов обусловлена использованием

сертифицированного оборудования, согласованностью результатов
аналитической оценки, моделирования и эксперимента,

согласованностью результатов, полученных разными средствами измерений, высокой повторяемостью результатов.

Положения, выносимые на защиту

17. Полученное выражение для вычисления формы активной зоны видения АИ ТИС позволяет оценить ее искажение, возникающие на малых дальностях наблюдения в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения и определить соотношения длительностей импульсов стробирования ЭОП и импульсов источника подсвета для минимизации данных искажений.

18. Предложенный способ пространственно-временной фильтрации изображений АИ ТИС по дальности позволяет сократить глубину активной зоны видения в 3-4 раза, выделить объект интереса из фоновой составляющей изображения и устранить световые помехи естественной и искусственной природы.

19. Разработанный метод повышения точности определения расстояния до объекта наблюдения, основанный на вычислении «цветовой палитры» активной зоны видения по данным от трех взаимопересекающихся зон, позволяет повысить информативность изображения и точность определения расстояния до объектов наблюдения до значения 1 метр.

Использование результатов исследования

20. «Исследование и разработка методов и средств повышения качества изображений в активно-импульсных телевизионно-вычислительных системах видения в сложных метеоусловиях и малопрозрачных средах» (код проекта 3643), в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России 2014/225.

21. «Исследование и разработка методов и средств повышения эффективности активно-импульсных телевизионно-вычислительных систем мониторинга и обеспечения комплексной безопасности объектов», грант РФФИ по научному проекту 16-47-700939.

22. «Выявление новых подходов к совершенствованию обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры и моделирования систем активного зрения роботов» в рамках базовой части государственного задания Минобрнауки России (шифр проекта 8.9562.2017/БЧ).

23. Дисциплина «Сети и системы цифрового телерадиовещания», предусмотренная учебным планом подготовки бакалавров по направлению 11.03.01 «Радиотехника» (профиль «Аудиовизуальная техника»).

24. Проведение совместных испытаний прибора ОЭС «Зонд М+» (разработчик ИОА СО РАН) и макета активно-импульсной телевизионной измерительной системы (АИ ТИС) – разработчик ТУСУР в большой аэрозольной камере (БАК) ИОА СО РАН при нормальной и пониженной прозрачности среды распространения (дым, туман) в различных режимах работы систем.

Апробация результатов

Результаты исследования доложены и обсуждены на следующих 9 международных научных конференциях.

25. Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2017), Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина (КАТУ); - Астана, 2017.

26. XIII Международная научно-техническая конференция «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации «Распознавание - 2017». Юго-Зап. гос. ун-т. – Курск, 2017.

3. XXII Международная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Научная сессия – ТУСУР», посвящённая 55-летию вуза. Томск, ТУСУР, 2017.

4. XVII Международная конференция молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM-2016, Эрлагол (Алтайский край), НГТУ, 2016.

5. XII Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2016), -Москва, 2016.

6. XI Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, ТУСУР, 2015.

7. XVI Международная конференция молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам EDM-2015, Эрлагол (Алтайский край), НГТУ, 2015.

8. XI Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2015), Омский государственный технический университет - Омск, 2015.

9. XX Международная юбилейная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, ТПУ, Томск, 2014.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 12 работ: 3 статьи в журнале из перечня ВАК, 9 докладов в трудах международных конференций, 5 из которых проиндексированы в наукометрических базах Scopus и Web of Science.

Личный вклад автора

Личный вклад автора состоит в постановке цели и задач исследования, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных данных, формулировании выводов, разработке программного обеспечения, подаче заявок на регистрацию программ для ЭВМ. Все результаты получены автором лично или совместно с соавторами при его непосредственном участии. Без соавторов опубликовано: 1 статья в журнале из перечня ВАК, 2 доклада в материалах международных научно-технических конференций.

Краткое содержание работы

Во введении представлена краткая характеристика работы.

В главе 1 выполнен аналитический обзор литературы по
направлению диссертационного исследования, описаны принципы
работы и особенности построения активно-импульсных

телевизионных систем, сформулированы цель и задачи

исследования.

В главе 2 представлены исследования, направленные на
вычисление и оптимизацию активной зоны видения АИ ТИС при
наблюдении в условиях нормальной и пониженной прозрачности
среды распространения. Описан способ пространственно-

временной обработки изображений АИ ТИС по дальности. Описан метод повышения точности определения расстояния до объекта наблюдения, основанный на вычислении «цветовой палитры».

В главе 3 дано описание макета АИ ТИС и представлены результаты экспериментальных исследований при наблюдении в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения.

В главе 4 описано разработанное программное обеспечение для
обработки изображений АИ ТИС: измеритель разрешающей

способности, корректор сферической дисторсии, анализатор внутрикадровой компрессии.

В главе 5 приведены результаты практического применения
результатов диссертационной работы. Далее приведены

заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы. В приложениях представлены копии документов (акты использования результатов работы).

Отечественные производители АИ ТС

В настоящее время для обнаружения, наблюдения и измерения параметров объектов в различных условиях окружающей среды применяются активно-импульсные телевизионные системы (АИ ТС). Системы могут применяться как в нормальных, так и в сложных условиях наблюдения за объектами: в солнечный день, в сумерки и ночью, при ограниченной или низкой прозрачности среды распространения излучения, при наличии дымки, тумана, различных осадков, естественных и искусственных световых помех [1].

Дальность действия и вероятность распознавания объектов традиционными телевизионными системами наблюдения значительно ограничивается в условиях пониженной прозрачности среды распространения. Основной причиной ограничения дальности обнаружения и идентификации объектов интереса в сложных условиях видимости является воздействие помехи обратного рассеивания.

Помеха обратного рассеивания возникает из-за рассеяния фотонов света в толще аэрозолей находящихся в атмосфере в направлении наблюдателя, что приводит к значительному понижению контраста изображения и как следствие к невозможности обнаружения и распознавания объектов [2].

Основными достоинствами АИ ТС являются устранение помехи обратного рассеивания и значительное ослабление световых помех естественной и искусственной природы. Принцип их действия основан на импульсном методе подсветки поля зрения системы и стробировании по времени импульсов излучения, отраженных от объектов наблюдения.

Сущность метода сводится к следующему. Объект наблюдения освещается световыми импульсами, длительность которых значительно меньше времени распространения света до объекта и обратно. В том случае, когда временная задержка между моментом излучения импульса и моментом открывания оптического затвора равна удвоенному времени, необходимому для прохождения светом расстояния до объекта и обратно, наблюдатель будет видеть только сам объект и участок пространства, непосредственно его окружающий. Глубина этого пространства определяется как временем открытого состояния оптического затвора, так и длительностью светового импульса [3].

Длительность импульсов подсвета, может составлять десятки или единицы наносекунд, что позволяет добиться высокой импульсной мощности, а малое время экспозиции фотоприемника значительно снижает чувствительность системы к фоновому излучению. За счет работы системы в импульсном режиме любая длительная световая помеха (излучение прожекторов, фар, пламя костров и пр.) ослабляется в число крат, равное скважности работы прибора [4].

В зависимости от назначения АИ ТС могут использоваться в воздушных, наземных, подземных, надводных и подводных условиях окружающей среды [5].

Иллюстрация принципа работы АИ ТС представлена на рисунке 1 [6].

Принцип работы АИ ТС Импульсный метод наблюдения впервые был предложен академиком А.А. Лебедевым в 1936 г. Для реализации данного метода необходимы импульсный осветитель, генерирующий достаточно короткие импульсы света, а также преобразователь изображения, оснащенный быстродействующим оптическим затвором. Первоначально в качестве такого осветителя использовался ламповый прожектор, а в приемной части аппаратуры устанавливался электронно оптический преобразователь (ЭОП). Импульсный режим работы приемной части обеспечивался либо установкой перед фотокатодом ЭОП быстродействующего затвора Керра или Поккельса, либо импульсным управлением (стробированием) ЭОП непосредственно по напряжению высоковольтного питания. Использование указанных затворов приводило к неоправданным энергетическим потерям, а стробирование по напряжению питания требовало ламповых электронных блоков, обладающих значительными массой, габаритами и энергопотреблением. В конце 40-х годов М.М. Бутслову и его коллективу удалось разработать импульсные ЭОП с компенсированным затвором. Применение этих ЭОП позволило существенно упростить блок стробирования и снизить его массу, габариты и энергопотребление.

В 1950 г. по инициативе А.А. Лебедева в Государственном оптическом институте (ГОИ) СССР были начаты работы по созданию первых образцов активно-импульсных (АИ) приборов наблюдения. В качестве осветителя использовался прожектор, выполненный на основе отражатели диаметром 1500 мм и разборной аргоновой импульсной лампы ГОИ с давлением 4 – 6 атм, частотой 500 – 800 Гц и средней мощностью излучения 2 – 3 кВт.

Ощутимого прогресса в развитии АИ приборов наблюдения удалось достигнуть только в начале 60-х годов в связи с созданием лазеров. По сравнению с искровыми ламповыми источниками лазеры обладают существенными преимуществами: - высокой яркостью и направленностью излучения; - монохроматичностью излучения, позволяющей использовать в приемной части прибора узкополосные фильтры, отсекающие излучение световых помех; - малой длительностью импульсов излучения (единица и десятки нс).

Измерение расстояния с использованием АИ ТС

Формы активной зоны видения в общем случае будет представлять собой результат свертки импульса подсвета SL с импульсом стробирования ЭОП Sg. Если импульсы имеют прямоугольную форму и одинаковую длительность, активная зона видения будет иметь форму треугольника (рисунок. 2.1).

Поскольку импульс излучения подсвета отраженный от объекта, расположенного на расстоянии соответствующем задержке стробирования ЭОП, будет приниматься в течение всего времени открытого состояния ЭОП, когда длительности импульсов равны, центр активной зоны видения будет обладать максимальной энергией в одной точке и соответствовать задержке стробирования ЭОП [38].

Глубина активной зоны видения d z будет зависеть от суммарной длительности импульсов подсвета и строба ЭОП (rL +Tg)-c d z = 2 , (2.1) где L- длительность импульса подсвета, g- длительность импульса стробирования ЭОП, с скорость света. В случае если длительность импульса подсвета будет меньше длительности импульса стробирования ЭОП, активная зона видения приобретет форму трапеции. Область максимальной энергии будет обладать некоторой протяженностью, а точка, соответствующая задержке стробирования ЭОП, будет расположена в начале области максимальной энергии (рисунок. 2.2).

В случае, если длительность импульса подсвета будет больше длительности импульса стробирования ЭОП, точка, соответствующая задержке стробирования ЭОП, будет расположена в конце области максимальной энергии (рисунок 2.3) [39]. 36 Глубина участка максимальной энергии dEmax будет определяться выражением d E =TL T2 g C . (2.2) Начальная точка активной зоны видения dZstart при любых соотношениях длительностей будет зависеть от длительности импульса подсвета и определяться выражением distort = 2 , (2.3) где D - задержка стробирования ЭОП, - длительность импульса подсвета, с - скорость света. Конечная точка активной зоны видения dZmd при любых соотношениях длительностей будет зависеть от длительности импульса стробирования ЭОП и определяться выражением d ze„c =V 2S/ . (2.4) На рисунке 2.4 приведены выражения, при помощи которых можно вычислить основные точки активной зоны видения при zL zg для сигналов прямоугольной формы. Рисунок 2.4 – Расчет основных точек зоны для L g

На практике при распространении в атмосфере ослабление интенсивности излучения определяется двумя сомножителями, один из которых обратно пропорционален квадрату расстояния до объекта, а второй содержит экспоненту с отрицательным показателем. Поэтому с уменьшением прозрачности атмосферы искажение формы активной зоны видения будет усиливаться [32, 40].

Кроме того, прямоугольные импульсы малой длительности с высокой амплитудой технически реализовать достаточно трудно, поэтому расчет активной зоны видения необходимо выполнять с учетом длительности фронтов импульсов, которые будут влиять на форму активной зоны видения.

Для этих целей в программе Mathcad с использованием элементов программирования была построена модель для вычисления формы активной зоны видения на разных дальностях наблюдения [41].

Сигнал импульса стробирования ЭОП генерируется по четырем основным входным параметрам: fp - длительность переднего фронта сигнала, v -длительность области максимальной амплитуды сигнала, fz - длительность заднего фронта сигнала, z - задержка стробирования ЭОП s n (t) := if t X A (t-xz) if xz+ Тф t xz A if Ty + xz+іф t xz+іф A [t - (lv + Tz + Тф] if xv + xz + Тф + xfe t xv + xz + Тф o if 1 ту + т2+Тф + тЁ где А - амплитуда сигнала, t - отсчеты времени в нс. Сигнал импульса подсвета генерируется по трем основным входным параметрам: fpL - длительность переднего фронта сигнала, VL - длительность области максимальной амплитуды сигнала, fzL - длительность заднего фронта сигнала

Сигналы подсвета и стробирования ЭОП формируются как функции на заданном временном отрезке.

Согласно выражению (2.5) выполняется сдвиг отсчетов сигнала ЭОП для области интегрирования с шагом в один метр. Это может показаться некорректным, поскольку в результате задний фронт сигнала подсвета будет проинтегрирован с передним фронтом сигнала ЭОП. Но на самом деле, такой подход является верным, поскольку отраженное излучение от «ближних» объектов (в пределах активной зоны видения) дойдет до ЭОП в момент времени, когда он еще будет закрыт, т.е. начальная часть импульса подсвета не будет принята приемником, но будет принята его конечная часть. А для «дальних» объектов приемником будет принята только начальная часть импульса подсвета, после чего ЭОП закроется. По сути это означает, что сигнал подсвета будет принят как инвертированный по форме.

Вычисление «цветовой палитры» объектов на изображениях АИ ТИС по дальности

В разделе 2.1 предложено выражение для расчета формы активной зоны видения в условиях нормальной и пониженной прозрачности среды распространения. Расчет формы активной зоны видения позволил оценить ее искажения, возникающие на малых дальностях наблюдения АИ ТИС. Определены соотношения длительностей импульсов стробирования ЭОП и импульсов источника подсвета для минимизации данных искажений. Сокращение длительности импульса подсвета с 60 нс до 30 нс и увеличение длительности стробирования ЭОП с 60 нс до 90 нс, привело к смещению области максимальной энергии активной зоны видения к расстоянию, соответствующему задержке стробирования ЭОП.

В разделе 2.2 рассмотрены основные способы пространственно-временной обработки изображений АИ ТИС по дальности. Предложенный способ пространственно-временной фильтрации изображений АИ ТИС по дальности с использованием межкадровых разностей, позволил сократить глубину активной зоны видения в 3 раза (с 15 метров до 5 метров), выделить объект интереса из фоновой составляющей изображения и устранить световые помехи естественной и искусственной природы.

В разделе 2.3 выполнено моделирование и расчет «цветовой палитры» активной зоны видения для получения цветного RGB изображения с привязкой цвета к расстоянию. Разработанный метод повышения точности определения расстояния до объекта наблюдения, позволил повысить информативность изображения и точность определения расстояния до объектов наблюдения до значения 1 метр.

В целом результаты исследований позволяют сделать вывод о практической В состав блока фотоприемного устройства входят. 1. Входной объектив с фокусным расстоянием 85 мм и относительным отверстием f/2. 2. ЭОП поколения II+ с диаметром фотокатода 18 мм, с вторичным источником питания (ВИП). 3. Согласующий мегапиксельный объектив с фокусным расстоянием 12 мм и относительным отверстием f/2. 4. Бескорпусная телевизионная USB камера фирмы ООО "ЭВС", модель VAI-136-USB, изготовленная на базе черно-белого КМОП-сенсора с разрешением 1280х960 элементов [47]. 5. Генератор высоковольтных импульсов стробирования ЭОП. 6. Основной источник питания системы. Блок устройства подсвета, состоит из следующих компонентов. 1. Фокусирующий объектив. 2. Полупроводниковая лазерная решетка (модель Л13). 3. Генератор импульсов накачки тока. 4. Источник питания. Описание элементов управления АИ ТИС Рисунок 3.3 – Пульт управления макета АИ ТИС Пульт управления макета АИ ТИС представляет собой электронное устройство, изготовленное на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС). Внешний вид пульта управления представлен на рисунке 3.3. На приведенном рисунке цифрами отмечены органы управления: 1) переключатель режима «непрерывный» и «активно-импульсный»; 2) переключатель блокировки импульсов подсвета лазера; 3) кнопка переключения режимов «ведущий – ведомый»; 4) индикатор состояния режима «ведущий – ведомый»; 5) кнопка увеличения дальности «десятки метров»; 6) кнопка увеличения дальности «сотни метров»; 7) кнопка уменьшения дальности «десятки метров»; 8) кнопка уменьшения дальности «сотни метров»; 9) кнопка уменьшения яркости «единицы импульсов»; 10) кнопка уменьшения яркости «десятки импульсов»; 11) кнопка увеличения «единицы импульсов»; 12) кнопка увеличения «десятки импульсов» 13) индикатор состояния режима «кадр – полукадр»; 14) кнопка переключения режимов «кадр – полукадр»; 15) индикатор яркости в «единицах»; 16) индикатор дальности в «метрах».

В связи с тем, что пульт управления макета АИ ТИС изначально проектировался для использования системы с ПЗС видеокамерой телевизионного стандарта, в нем были предусмотрены некоторые дополнительные схемотехнические решение [48]. В состав пульта управления входят следующие узлы и блоки: – задающий генератор (кварцевый генератор опорной частоты); – устройство формирования строчных синхроимпульсов (ССИ); – устройство формирования кадровых синхроимпульсов (КСИ); – селектор полного видеосигнала; – устройство выбором активных строк и формирования «пачки» импульсов активных строк; – формирователь импульсов подсвета; – формирователь импульсов строба; – устройство управления «Яркостью» с индикацией; – устройство управления «Дальностью» с индикацией; – устройство управления режимом «ведущий-ведомый»; – устройство выбора «кадр-полукадр» или четные-нечетные поля. Управление частотой лазерного подсвета и стробирования ЭОП реализовано следующим образом: максимально допустимая частота импульсов лазера равна 5 кГц. Эту частоту можно считать эквивалентной ста процентам используемого ресурса мощности лазерного излучателя.

Максимальное число вспышек за поле телевизионного кадра равно 100, т.е. одна вспышка за поле (50 Гц) эквивалента одному проценту максимальной яркости.

Установка уровня «Яркости», выражающаяся в количестве импульсов за поле кадра устанавливается с кнопок пульта управления. Кнопки управления расположены на лицевой панели корпуса пульта управления и позволяют регулировать единицы вспышек (0 – 9) и десятки (0 – 9) за каждое поле (на индикаторах высвечивается две цифры, например, «47»). С помощью переключателя «х1 – х2» можно установить режим «х1», когда активным будет только одно поле и мощность подсвета уменьшится вдвое [49].

Дальность устанавливается с помощью наборных кнопок «Десятки метров» (0 – 9)х10 м. и «Сотни метров» (0 – 9)х100 м т.е. задержка стробирования ЭОП меняется дискретно по 66,7 или 667 нс.

Формирователь импульсов подсвета и импульсов стробирования ЭОП, реализованный в пульте управления генерирует импульсы с фиксированными длительностями равными 100 нс.

Управление длительностью импульса ЭОП, плавная регулировка задержкой стробирования ЭОП и напряжение на МКП осуществляется путем регулировки потенциометров, расположенных на корпусе блока фотоприемного устройства.

Программа для коррекции сферической дисторсии телевизионных изображений

Для измерения разрешающей способности анализируемого кадра, необходимо выделить область изображения, содержащую вертикальный или горизонтальный перепад яркости с контрастностью не ниже 20%. Для выбора интересующей области кадра, необходимо нажать клавишу «Задать блок» расположенную в левой части окна программы, поле чего курсором мыши выделить анализируемую область на усредненном кадре в правом окне программы. При выборе параметра «Фикс. блок» координаты анализируемой области фиксируются в программе и не меняются при загрузке следующих массивов видеоданных.

После выбора анализируемой области кадра, в левой нижней части окна программы отобразиться информация о некоторых параметрах выбранного блока (размер, контраст и средняя яркость). Для запуска алгоритма расчета Рисунок 4.4 – КЧХ разрешающей способности усредненного кадра необходимо нажать клавишу «КЧХ». Результатом работы алгоритма расчета разрешающей способности, будет вывод графиков контрастно-частотной характеристики (КЧХ), функции рассеяния перепада (ФРП) и функции рассеяния точки (ФРТ). Пример расчета представлен на рисунках 4.4 – 4.6. Для ФРП вычисляется протяженность перепада по уровням 0,1 и 0,9 [59]. Рисунок 4.6 – ФРТ

В ряде сфер деятельности человека, связанных с оптикой, телефотоаппаратурой, картографией и многих других, возникает задача анализа дисторсионных искажений и их дальнейшей коррекции. Дисторсионные искажения возникают, прежде всего, в широкоугольных объективах, в телевизионной аппаратуре из-за нелинейности разверток и в других технических устройствах, в том числе в АИ ТИС. Корректор сферической дисторсии изображений предназначен для компенсации сферической дисторсии (бочкообразная дисторсии, подушкообразная дисторсия) оптических элементов телевизионных систем. Функциональные возможности программы: - выбор и загрузка искаженного изображения; - подбор радиуса искажения; - компенсация сферической дисторсии изображения; - устранение возникающих при компенсации артефактов; - сохранение результатов в файл. Возникновение сферических искажений. На рисунке 4.7 представлена модель возникновения сферических искажений. Планшайба, выполненная из оптоволокна, на которую проецируется лучи света проходящие через отверстие в центре на фоточувствительный датчик, расположенный за планшайбой. Такая система будет обладать углом обзора близким к значению 180 градусов. В данной системе будут возникать сферические искажения [60], описываемые формулой.

Для апробирования алгоритма восстановления дисторсионных изображений на первом этапе, было использовано неискаженное тестовое изображение «шахматное поле» с разрешением 256x256 элементов (рисунок 4.8, а). В результате преобразования входного тестового изображения по формуле (4.1), при R = 150, было получено искаженное изображение (рисунок 4.8, б). Для устранения бочкообразного искажения, изображение (рисунок 4.8, б) было преобразовано по формуле (4.2), при R = 150 (рисунок 4.8, в).

На втором этапе для верификации разработанного алгоритма, в качестве исходного, использовалось изображение с «видеоглазка» разрешением 600х600 элементов, имеющее бочкообразные искажения (рисунок 4.9, а). Для исправления искажений в изображении с «видеоглазка», к данному изображению было применено преобразование по формуле (4.2), при R = 400 (рисунок 4.9, б) [60, 62].

Применение алгоритма коррекции координатных искажений для изображения с «видеоглазка» (а – искаженное; б – восстановленное без интерполяции) После преобразования изображений по формуле (4.2), в результате пересчета координат в восстановленном изображении возникают области с незаполненными элементами, которые проявляются как артефакты на восстановленном изображении (рисунок 4.9, б). Области изображения с незаполненными элементами представляют собой различные линии и фигуры черного цвета, т.е. значения элементов изображения в данных областях равно нулю.

Работа алгоритма начинается с обхода элементов изображения по строкам и столбцам, по условию, если значение элемента будет равно нулю, начнется обход значений восьми элементов окружающих нулевой. По окончанию работы алгоритма нулевому элементу изображения будет присвоено среднее значение окружающих его элементов.

В настоящее время для внутрикадрового сжатия видеоданных особой популярностью пользуются стандарты, в которых используется дискретно-косинусное преобразование (ДКП). Современные видеокомпрессоры позволяют использовать для ДКП блоки разных размеров, включая адаптивный выбор размера блока в зависимости от области изображения. Для областей содержащих мелкие детали применяются блоки меньшего размера, области с монотонным содержанием разбиваются на блоки большего размера [63, 64]. Для устранения основного недостатка ДКП, связанного с возникновением на изображении блочной структуры, как правило применяется постобработка. Дискретное вейвлет преобразование (ДВП), нашло свое применение в таких стандартах сжатия изображений как JPEG2000 и ICER. Использование ДВП для компрессии изображений не приводит к возникновению блочной структуры и поэтому не требует применения деблокинг фильтров, но проигрывает по качеству сжатия алгоритмам, основанным на ДКП при малых коэффициентах компрессии.

Анализатор характеристик внутрикадровой компрессии видеоданных предназначен для анализа качества изображений при внутрикадровом сжатии в стандартах JPEG и JPEG2000. Функциональные возможности программы: - выбор анализируемых изображений; - компрессия изображений с заданными параметрами качества (выбор размера блока для ДКП, выбор вейвлета для ДВП, выбор уровня вейвлет разложения, выбор глубины квантования); - измерение среднеквадратического отклонения, пикового отношения сигнал/шум и энтропии для компрессированных изображений; - отображение разности входного и сжатого изображений; - отображение гистограмм входного и компрессированного изображений; - сохранение результатов компрессии в файл. Интерфейс программы позволяет сжимать изображения независимо как с применением ДКП, так и с использованием ДВП, что позволяет наглядно сравнить степень и характер вносимых в изображение искажений (рисунок 4.12) [65, 66, 67].