Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ характеристик и параметров элементов формирования сигналов в системах видеоконтроля объектов 14
1.1. Особенности функционирования современных телевизионных камер для аппаратуры видеоконтроля объектов 14
1.2. Основные параметры и характеристики современных датчиков телевизионного сигнала на ПЗС 27
1.3. Специфика формирования цифрового телевизионного сигнала в системах видеоконтроля объектов 40
Выводы к главе 1 54
ГЛАВА 2. Исследование и разработка методов формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля объектов 56
2.1. Сопоставительный анализ современных телевизионных систем охраны объектов 56
2.2. Специфика воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов изображений в современных телевизионных системах при видеоконтроле охраняемых объектов 67
2.3. Исследование методов формирования информационных сигналов во внутрикадровом пространстве в системах телевизионного контроля объектов СТКО) 86
2.4. Методы формирования сигналов "нарушения" в телевизионных системах охраны объектов 118
Выводы к главе 2 125
ГЛАВА 3. Разработка функциональных элементов и устройства телевизионного контроля объектов 128
3.1. Разработка устройства формирования сигнала на входе ИС АЦП 128
3.2. Распределение информационных отсчетов в пространстве видеоконтроля объектов 134
3.3. Разработка устройства формирования сигналов управления и видеоконтроля для телевизионных систем охраны объектов 145
Выводы к главе 3 150
ГЛАВA 4 . Экспериментальные исследования разработанных методов и устройств формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля объектов 152
4.1.Экспериментальное исследование метода внутрикадровой фильтрации и выделения отсчетов телевизионного сигнала при формировании информационных сигналов для СТКО 153
4.2- Моделирование действия пятиканального пространственного фильтра с подавлением фоновых составляющих изображения для формирования отсчетов сигнала изображения 157
4.3- Моделирование детектирования пороговой обработки сигнала разности и формирования сигнала управления при количестве элементов (16x16) и (32x32) импульсной характеристики пространственного фильтра 160
4.4. Моделирование действия стробирования и выделения отсчетов телевизионного сигнала при формировании информационных сигналов для системы видеоконтроля объктов 162
Выводы к главе 4 165
Заключение 167
Список литературы 168
Приложение 1. Текст программы обработки ТВ изображения 174
- Основные параметры и характеристики современных датчиков телевизионного сигнала на ПЗС
- Специфика воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов изображений в современных телевизионных системах при видеоконтроле охраняемых объектов
- Разработка устройства формирования сигналов управления и видеоконтроля для телевизионных систем охраны объектов
- Моделирование действия пятиканального пространственного фильтра с подавлением фоновых составляющих изображения для формирования отсчетов сигнала изображения
Введение к работе
Актуальность темы.
Одно из важнейших направлений развития цифровых систем прикладного телевидения связано с селекцией заданных составляющих видеоинформации и формированием соответствующих сигналов управления исполнительными устройствами, что определяет возможность создания технических комплексов, автоматически изменяющих алгоритм своего функционирования в зависимости от результатов телевизионного (ТВ) контроля.
Актуальной в настоящее время является задача создания адаптивных систем прикладного телевидения, т.е. самонастраивающихся, способных изменять свои параметры в зависимости от изменяющихся условий наблюдения. При видеоконтроле (ВК) объектов необходимо учитывать все факторы, которые могут оказывать влияние на текущие изменения составляющих ТВ изображения. При этом должно достигаться оптимальное согласование характеристик системы и объекта, что способствует решению задач объективного контроля и уменьшению числа ложных срабатываний системы. Оценка относительных изменений видеоинформации необходима при решений многих задач во вспомогательных технических комплексах промышленного, медицинского, образовательного и других назначений.
Данная тема актуальна в связи с широким использованием методов и устройства подобного типа при реализации различных систем контроля видеоинформации. Настоящая диссертационная работа в основном ориентирована на охранное телевидение, хотя ее результаты могут быть использованы при решении других задач народного хозяйства Судана.
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является исследование и разработка методов формирования информационных сигналов в системах ВК объектов и разработка устройств, реализующих обработку ТВ сигнала (TBC) при решении задач, возникающих при ВК.
Это цель достигается решением следующих научно- практических задач:
1.Проведен анализ основных особенностей функционирования, параметров и характеристик современных ТВ камер для аппаратуры ВК объектов.
2.Определена специфика формирования цифрового TBC в системах видеоконтроля объектов СТКО.
Проведен сопоставительный анализ современных СТКО.
Исследованы особенности воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов изображений в современных СТКО.
Разработан алгоритм и проведено исследование методов формирования информационных сигналов во внутрикадровом пространстве для СТКО.
Разработана методика распределения информационных отсчетов в пространстве ВК объектов.
Разработано устройство формирования сигналов управления и видеоконтроля для ТВ системы охраны объектов.
Проведены экспериментальные исследования элементов устройства ВК объектов.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использованы современные методы анализа, основанные на теории телевидения и радиотехники, включая элементы теории цифровой обработки и дискретизации многомерных сигналов, теории функций и функционального анализа, теории интегральных ортогональных преобразований, численного анализа и программирования.
Научная новизна
Проведен сопоставительный анализ современных ТВ систем охраны объектов и выявлена специфика воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов ТВ изображений в СТКО.
Разработан алгоритм и проведено исследование методов формирования информационных сигналов во внутрикадровом пространстве для СТКО. Преимуществом разработанного алгоритма является сокращение объема фиксируемых в эталонной памяти информационных отсчетов, что отражается снижением числа ложных срабатываний и упрощением реализации системы охранного телевидения.
Разработана методика распределения информационных отсчетов в пространстве ВК объектов.
Разработано устройство формирования сигналов управления и ВК для ТВ системы охраны объектов.
Практическая ценность
1. Разработан алгоритм, проведено комплексное исследование методов формирования информационных сигналов в СТКО. Использование разработанного алгоритма приводит к подавлению фоновых мешающих воздействий, что дает возможность увеличить чувствительность устройства за счет уменьшения порога по уровню при формировании сигнала "нарушений" и увеличить относительную амплитуду выделенных составляющих TBC в заданном диапазоне пространственных частот.
2. Разработано устройство формирования сигналов управления и ВК для ТВ системы охраны объектов.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при выполнении НИР в лаборатории "Цифровой обработки ТВ сигналов" научно исследовательской части ( НИЧ) МТУСИ.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно - технических конференциях профессорско - преподавательского состава, МТУСИ, МоскваД998-2001 г.г.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 9 научных работ.
Личный вклад. Все основные научные результаты в диссертационной работе получены автором лично.
Основные положения, выносимые на защиту: .Результаты анализа основных особенностей функционирования, параметров и характеристик современных ТВ камер для аппаратуры ВК объектов.
Специфика формирования цифрового телевизионного сигнала в системах ВК объектов.
Сопоставительный анализ современных СТКО.
Результаты исследования особенностей воздействия пространственных и временных помех коммутации сигналов ТВ изображений на оператора в современных системах ВК объектов.
Разработанный алгоритм и результаты анализа методов формирования информационных сигналов во внутрикадровом пространстве для СТКО.
Разработанная методика распределения информационных отсчетов в пространстве ВК объектов.
7. Разработанное устройство формирования сигналов управления и ВК для ТВ системы охраны объектов.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 187 страницах машинописного текста. Список литературы включает 60 наименований.
Краткое содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы настоящей диссертационной работы, охарактеризовано состояние исследуемого вопроса, определены цели, задачи и методы исследования. Сформулированы научная новизна, практическая значимость результатов работы и положения, выносимые на защиту. Представлены состав и краткое описание работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора.
В первой главе «Анализ характеристик и параметров элементов формирования сигналов в системах видеоконтроля объектов» проведен анализ параметров и характеристик датчиков TBC на ПЗС. Такие характеристики и параметры определяют пространственно-временную разрешающую способность и энергетическую чувствительность системы ВК. Совокупностью и последовательностью операций обработки и формирования сигналов, которые реализуются в современных формирователях видеосигнала, обеспечивается отражение (с определенной степенью соответствия) пространственных и временных изменений структуры исходного воздействия в TBC системах ВК объектов. Рассмотрены особенности функционирования, характеристики современных ТВ камер для аппаратуры ВК объектов и факторы, определяющие искажения ТВ изображений в камерах на ПЗС.
Проведен анализ специфики формирования цифрового TBC в СТКО. Формирование осуществляют с применением специальных интегральных схем аналого-цифрового преобразования, на выходе которых исходный TBC аналогового типа преобразуют в параллельный код. Максимально возможная частота следования отсчётов в каждом из разрядов кода определяется частотой дискретизации TBC. С учетом специфики характеристик ТВ камер на ПЗС теоретически обосновано минимальное значение частоты первичной дискретизации. Разработана функциональная схема устройства формирование цифрового TBC и осуществлена оценка искажений дискретизации. Одним из вариантов устройств прикладного ТВ является использование TBC для формирования сигнала " нарушений " в зоне контроля объекта. Показано, что в основе реализации соответствующей аппаратуры - пространственно- временная фильтрация TBC, обеспечивающая выявление изменений пространственной структуры контролируемого объекта в последовательности кадров, т.е. во времени.
Вторая глава «Исследование и разработка методов формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля объектов» посвящена сопоставительному анализу современных СТКО. Рассмотрены специфика воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов изображений при видеоконтроле объектов. Это реализовано с учтем результатов, полученных при исследовании зрительной системы наблюдателя (ЗСН).
Проведен анализ мешающего действия экрана ТВ приемника при ВК. Помеху в данном случае создают гармоники спектра сигнала изображения экрана в зоне максимальной чувствительности ЗСН к пространственным периодическим воздействиям (8 пер/град).
Разработан алгоритм и выполнено исследование методов формирования информационных сигналов для СТКО во внутрикадровом пространстве. Формирование информационных сигналов в таких системах определяется необходимостью обнаружения во времени изменений в пространственной структуре контролируемого изображения. Задача обнаружения изменений может быть реализована за счет обнаружения изменений в фиксированном числе участков (отсчетов) структуры ТВ изображения. Сигнал «нарушений» формируют за счет запоминания эталонного сигнала изображения и его вычитания из текущего. Существуют различные варианты формирования структуры отсчетов для запоминания видеоинформации. Распределения отсчетов, конфигурация зон усреднения могут быть различными.
Разностный сигнал между отсчетами, эталонными и текущими, детектируют. Результат детектирования интегрируют и ограничивают по минимуму. При этом порог ограничения по минимуму определяется отношением с/ш в контролируемом сигнале. Апертурные искажения влияют на относительный уровень увеличения шума в высокочастотной части спектра TBC. С учетом вида апертурной характеристики (АХ) определена необходимая степень усреднения отсчетов, обеспечивающая требуемое отношение сигнал/шум в области высокочастотных пространственных составляющих (ВЧПС). Однако в видеотрактах возникают шумовые воздействия и в области низких частот: сетевые помехи, индустриальные, низкочастотные помехи, нестабильности и др. Возникают и фоновые изменения освещенности из-за, например, быстро- временных изменений погодных условий, нестабильности освещения контролируемых объектов и т.д. Все это обуславливает целесообразность подавления также составляющих и области низких пространственных частот(НЧПС). Это подавление отражается увеличением относительного уровня сигнала изменений пространственной структуры изображения и соответственно приводит к возрастанию чувствительности устройств обнаружения сигнала изменений.
Рассмотрены методы формирования сигналов "нарушение" в телевизионных системах охраны объектов.
Формирование реализуется за счет сравнительной оценки видеосигналов, соответствующих ,например, текущему и предыдущему кадрам. При этом самый простейший вариант реализуется за счет вычитания текущего и предшествующего кадров. Проанализирован данный вариант формирования в случае медленного и быстрого движения объекта в пределах охраняемой зоны. Показано, что в таком случае из- за интегрирования в пространственной области возникает сопутствующее снижение амплитуды разностного сигнала. Амплитуда сигнала "нарушений" в данном случае может недопустимо снизится до "подпорогового" значения. При этом возникает пропуск "нарушения". В связи с этим в работе основное внимание уделено варианту видеоконтроля с эталонным изображением, которые запоминается и обновляется. Это позволяет фиксировать и медленно движущиеся объекты. При этом обеспечивается увеличение чувствительности системы видеоконтроля за счет накопления сигнала разности от нескольких кадров (интегрально-дифференциальный вариант алгоритм формирования сигнала изменений с использованием эталонной памяти).
В третей главе «Разработка функциональных элементов и устройства телевизионного контроля объектов» разработано устройство формирования аналогового TBC на входе интегральной схемы АЦП.
Разработан метод распределения информационных отсчетов в пространстве ВК объектов, основанный на принципе выборочной пространственной фиксации отсчетов сигнала изображения объекта . При этом структура дискретизированных отсчетов меняется в зависимости от свойств изображения, т.е. осуществляется адаптивное изменение структуры отсчетов при В К объектов различного типа. Сущность метода заключается в правильном выборе месторасположения отсчетов, т.е. комплекса архивируемых отсчетов с тем, чтобы использовать минимальное число отсчетов (на ТВ кадр) для В К объектов с заданной эффективностью. При этом обеспечивается возможность регулировки (автоматически или вручную) параметров распределения отсчетов в системе охранного телевидения при контроле частного объекта.
Определение месторасположения отсчетов, т.е комплекса архивируемых от счетов, осуществляется с помощью двух дискретных двумерных фильтров с соответствующими импульсными откликами. Разработано устройство формирования сигналов управления и видеоконтроля для телевизионных систем охраны объектов.
В четвертой главе приводятся данные о результатах экспериментальных исследований элементов разработанного устройства и, в частности, данные о результатах моделирования действия цифровых пространственных фильтров, обеспечивающих подавление фоновых составляющих изображения при различном количестве элементов (16x16) и (32x32) в структуры пространственной импульсной характеристики (ПИХ) фильтра, реализации распределения информационных отсчетов в пространстве ВК объектов, процесса формирования сигнала управления и формирования разности сигналов между эталонными и текущими отсчетами в системах видеоконтроля объектов.
В заключении приведены основные выводы и результаты выполненной работы.
В приложении представлены листинги программы обработки ТВ изображения и акты о внедрении результатов диссертационной работы.
Основные параметры и характеристики современных датчиков телевизионного сигнала на ПЗС
В системах видеоконтроля охраняемых объектов в качестве преобразователей " свет - сигнал " обычно используют камеры черно- белого телевидения на ПЗС. Преимуществом камер черно-белого телевидения на ПЗС в данном случае является высокая чувствительность (порядка 0,01—0,001 люкс), что объясняется интегрированием энергии входного воздействия (входного электромагнитного потока) в относительно широком спектральном диапазоне (от синего вплоть до инфракрасного). Для камер цветного телевидения степень такого интегрирования безусловно снижается. Еще одним преимуществом датчиков сигнала на основе ПЗС является возможность контроля зоны охраны в условиях использования внешней инфракрасной подсветки, невидимой для зрительной системы человека. Ведь системы видеоконтроля часто приходится эксплуатировать в сложных условиях наблюдения, которым свойственно ограничение освещенности. В таких случаях особо важное значение имеет спектральная чувствительность системы[48]. В целях увеличения последней можно использовать инфракрасную области спектральной характеристики ПЗС при искусственном охлаждении и внешнем источнике инфракрасной подсветки, что отражается значительным расширением спектрального диапазона системы видеоконтроля в целом. При этом чаще всего выбирают объектив, который работает в двух диапазонах излучения- еветовом и инфракрасном и при этом используют матрицы ПЗС с относительно невысоким числом светочувствительных элементов, увеличение которого сопровождается резким возрастанием стоимости матрицы ПЗС и, следовательно, камер на ПЗС. Современных системы охранного видеоконтроля обычно реализуют на основе камер типа \У- СР650, преимуществом которых является[51]: увеличенный динамический диапазон; достаточное разрешение: 480 твл (цветная камера), 570 твл (ч/б камера); отношение с/ш 50 дБ; низкое значение минимальной освещенности: 2лк (цветная камера ), 0.06 лк (ч/б камера); дистанционное управление (настройка) по коаксиальному кабелю; встроенный цифровой детектор движения второго поколения с функцией выхода сигнала тревоги на камере. На светочувствительную поверхность датчиков сигнала на ПЗС изображения проецируют с применением объективов с различным угловым полем зрения от 12 - 90 градусов. Чувствительность камер 0,010,001 люкс. Выбор объектива во многом определяет качество видеоконтроля [1,2]. Используются объективы с автоматической регулировкой диафрагмы (АРД) и без АРД. В этом случае телевизионная камера на ПЗС оказывается охваченной отрицательной обратной связью (ООС), обеспечивающей регулировку освещенности светочувствительной поверхности, в соответствии с функциональной схемой рис (1.1.1). Входное электромагнитное излучение (световой ноток), отраженный от объектов, попадает на вход оптической системы (ОС) и преобразуется в датчике сигнала (ДС) в ТВ сигнал, из которого с применением детектора (ДЕТ) выделяют постоянную составляющую. Интегратор необходим для подавления мешающих компонентов строчной и кадровой частоты. Сигнал на выходе интегратора фактически отражает изменения средней освещенности в последовательности кадров сформированного телевизионного сигнала. В соответствии с уровнем данного сигнала регулируют диафрагму объектива. Согласно этому, имеет место стабилизация уровня освещенности на светочувствительной поверхности. При увеличении освещенности диафрагма уменьшается и наоборот. Другим возможным вариантом регулировки режима является изменение времени накопления потенциального рельефа в матрице ПЗС электронным путем. Недостатком автоматической регулировки уровня ТВ сигнала на выходе камеры на ПЗС является жесткая привязка режима работы матрицы к наиболее освещенным объектам видеоконтроля, имеющим относительно большие размеры в пространстве кадра. Поэтому важнейшее значение имеет правильное распределение источников внешней подсветки. Подсветка должна обеспечивать необходимую освещенность, именно, контролируемых объектов; с другой стороны, спектральная характеристика контролируемых объектов должна быть согласована, как с источником подсветки, так и с особенностями спектральной характеристики современных камер на ПЗС. Известно, что матрицы на ПЗС имеют подъем чувствительности в красном ". Если объектив предназначен для работы при фотопических (дневных) освещенностях, то при использовании инфракрасной подсветки изображение дефокусируется из-за хроматической аберрации, возникающей в объективе при изменении спектрального распределения энергии света[2]. Основными причинами возникающих искажений ТВ сигналов в камерах на выходе ПЗС являются [1,5]: Усредняющее действие объектива. Усреднение видеоинформации в пределах светочувствительных элементов матрицы ПЗС. Неэффективность переноса зарядовых электродов. За счет этого имеет место ухудшение четкости ТВ изображений. Биения частот. Дискретная периодическая структура матрицы взаимодействует с дискретной периодической структурой контролируемого объекта. Возникают биения и сигналы разностных частот, которых нет в структуре исходного контролируемого объекта. Влияние биений и системах видеоконтроля может быть снижено при выборе объективов с более резким спадом частотно-контрастной характеристики в области высоких пространственных частот, превышающих 1У2. где ц - пространственная частота следования элементов ПЗС по горизонтали или по вертикали. Биения могут в системах видеоконтроля нести и полезную нагрузку в видеодетекторе[1,48,52]. Фактически проецируемое на светочувствительную поверхность матрицы исходное изображение 0(х, у, 0 первоначально подвергается интегральному преобразованию (усреднение пространственной структуры) в оптической системе. Затем дискретизируется матрицей светочувствительных элементов. Дискретизация реализуется и в горизонтальном и вертикальном направлении по растру.
Специфика воздействия на оператора пространственных и временных помех коммутации сигналов изображений в современных телевизионных системах при видеоконтроле охраняемых объектов
Нетрудно видеть, что число и соответственно неэффективность переносов для разных элементов кадра будут различными. Максимальные неэффективность и число переносов характерны для первого элемента верхней и минимальными - для последнего элемента нижней строк.
Принцип последовательного переноса, являющийся одним из основных достоинств ПЗС и обеспечивающий на определенном этапе преимущества перед двухкоординатными матрицами в таком важном параметре, как существенное повышение отношения сигнал / шум и улучшения однородности изображения, из-за влияния неэффективности переносов тормозит дальнейшее увеличение качества матрицы. Кроме этого используемое в ПЗС самосканирование требует бездефектности всех элементов матрицы. Неисправность одного элемента вызывает потерю информации всего передающего столбца или строки.
Световая характеристика ПЗС в рабочем диапазоне освещенности линейна. Спектральная чувствительность матричного формирователя, имеет подъем в длинноволновой области спектра и спад в области длин волн 0,4...0,5мкм, который обусловлен сильным поглощением энергии света на этом участке спектра нанесенными на полупроводниковую подложку поликремневыми электродами. Разрешающая способность определяется числом элементов накопления в матрице ПЗС. Увеличению числа элементов матрицы препятствуют технологические трудности, а также ухудшение параметров сигнала изображения, связанное с действием неэффективности переноса изображения.
Другим, несколько более перспективным, вариантом организации считывания в матричных формирователях является строчный перенос зарядов (СП, IT - Interline Transfer) [42]. Здесь столбцы светочувствительных элементов расположены между столбцами вертикальных сдвиговых регистров (ВСР). Это позволяет производить быстрый перенос зарядов в столбцы ВСР, которые экранированы от света оптической маской. Во время кадрового гасящего импульса (КГИ) все заряды, созданные в светочувствительных сенсорах, сдвигаются в соответствующие накопительные элементы, и решетки накопителей считываются во время следующего поля развертки.
Такой перенос зарядов весьма эффективен из-за увеличения времени считывания. При этом на изображении мало заметны тянущиеся продолжения, дефокусировка изображения, шумы в изображении малы, динамический диапазон ПЗС большой.
Практическая конструкция ПЗС со строчным переносом представлена фирмой Sony (Япония). Здесь между столбцами сенсоров созданы запирающие полосы ЗП - (области матрицы ПЗС, предотвращающие утечку зарядов с соседних сенсоров). Каждая ячейка ПЗС состоит из вертикального сдвигового регистра (ВСР), считывающего клапана (СК), дренажной полосы (ДП). Такая ячейка помещена между двумя последовательными запирающими полосами (ЗП). Запирающие полосы (ЗП) разделяют ячейки сенсоров друг от друга по вертикали и по горизонтали. Считывающий клапан (KJI) является управляющим электродом, создающим переход (перенос) заряда от фотосенсора к вертикальному сдвиговому регистру в соответствующее время. Вертикальный сдвиговый регистр (ВСР) производит считывание зарядов фотосенсоров, при строчном переносе - работает как секция хранения; применяется и при строчно-кадровом переносе. Горизонтальный считывающий регистр - ГСР работает как секция хранения одной телевизионной строки, с которой заряд переносится при развертке в выходное устройство. Оба эти регистры состоят из серии аналоговых запоминающих элементов и используются для кратковременного хранения зарядов, создаваемых сенсорами. Клапан перегрузки (КПГ) является элементом матрицы ПЗС, который держит заряд в фотосенсорах и в случае световой перегрузки переводит заряд в дренажную полосу (ДП).
Дренажная полоса (ДП) является областью матрицы ПЗС, которая отводит избыточный заряд от сенсора на землю в случае световой перегрузки. Этот отвод зарядов производится через запирающую полосу (ЗП).
Такой отвод зарядов снижает сопутствующие появлению избыточного заряда помехи и дефокусировку. Заряды сенсоров переносятся в вертикальный сдвиговый регистр (ВСР) во время кадрового гасящего импульса (КГИ) через считывающий клапан (СК), имеющий двухфазное управление, а ВСР развертывается четырехфазной системой управления, перемещающей заряд по вертикали во время строчного гасящего импульса (СТИ) в горизонтальный сдвиговый регистр (TCP).
Устройство ячейки сенсора с конденсатором МОП и строчным переносом зарядов реализовано фирмой Sony. Здесь подложка является полупроводником типа Р, в котором основные носители заряда - дырки. Непрозрачная для света оптическая маска сделана из тонкого слоя алюминия. В такой матрице ПЗС помеха в виде вертикальной разовой полосы может иметь место, как и при кадровом переносе. Эта помеха создается при световых перегрузках избыточными электронами, находящимися в глубине подложки и переходящими оттуда в вертикальный сдвиговый регистр (ВСР) вместо того, чтобы оставаться в сенсоре.
К эффективным следует отнести вариант со строчно-кадровым переносом. Строчно-кадровый перенос зарядов обозначается СКП (FITFrame Interline Transfer). Такой перенос позволяет получить более высокое качество изображения.
В ПЗС с таким переносом верхняя часть ПЗС работает как ПЗС с строчным переносом. Заряд переносится от фотосенсоров к сдвиговому регистру (CP) во время кадрового гасящего импульса (КГИ) и затем развертывается со скоростью в 60 раз (частота полей развертки 60 Гц) меньшей, чем скорость развертки строк, и переходит в отдельную решетку хранения (РХ), которая не освещается (эта решетка покрыта непрозрачной для света маской и поэтому не реагирует на световые перегрузки). Длительность содержания заряда в вертикальном сдвигом регистре (ВСР) снижена здесь в 60 раз в сравнении с ПЗС со строчным переносом и поэтому соответственно снижены уровень и продолжительность помех типа вертикальных полос.
Структура ПЗС с СКП реализована фирмой Sony. Здесь площадь матрицы должна быть больше, чем в матрице со строчным переносом (СП), так как должно быть отдельное место для секции хранения (СХ). Поэтому стоимость такой ПЗС выше, чем стоимость ПЗС со строчным или кадровым переносом.
В ПЗС со строчным - кадровым переносом заряд двигается очень быстро от вертикального сдвигового регистра (ВСР) в отдельную секцию хранения (СХ), где он не реагирует на свет.
Разработка устройства формирования сигналов управления и видеоконтроля для телевизионных систем охраны объектов
С учетом указанных недостатков использования аналоговой фильтрации при АЦП рассмотрим возможность формирования ЦТВ на основе использования цифрового принципа ограничения спектра TBC. С учетом полученного вида KA(f) проанализируем вариант формирования, представленный функциональной схемой на рис 1.3.3.
На входе схемы включен каскад согласования, обеспечивающий развязку, стабильность входного сопротивления схемы формирования и, при необходимости, ее согласование по входу, например, с кабелем Рк-75.
Блок автоматической регулировки уровня TBC (БАРУ) необходим для обеспечения требований МККР по использованию шкалы уровней квантования TBC (белому в TBC должен соответствовать 235 уровень квантования, а черному 16). Необходимый для управления БАРУ сигнал обычно получают за счет, например, стробирования, пикового детектирования и интегрирования последовательности гасящих импульсов TBC. Выделенной таким образом низкочастотный сигнал огибающей обеспечивает необходимую фиксацию уровней TBC в пределах шкалы квантования.
Далее TBC после схемы восстановления постоянной составляющей (ВПС) поступает на выходной каскад (ВК) схемы формирования (рис 1.3.3). Схема ВПС обеспечивает фиксацию уровня гашения TBC по отношению к границе динамического диапазона ИС АЦП. ВК обеспечивает развязку входа интегральной схемы аналого-цифрового преобразования (ИС АЦП) и схемы ВПС. В селекторе (ССС) из TBC выделяют сигнал синхронизации полный (ССП), который далее используют в блоке формирования сигналов синхронизации и сигналов управления. С выхода (ССС) импульсы синхронизации поступают на формирователь сигналов синхронизации и управления (ФССИУ), строчные синхронизирующие импульсы (ССИ) с выхода которого подключены к генератору сигнала тактового частоты (ГСТЧ).
В ФССИУ получают также сигнал управления БАРУ. В составе ГСТЧ обычно используют высокостабильные (кварцевые) генераторы с автоматической подстройкой частоты и фазы тактового сигнала (ТС) к соответствующим параметрам сигнала импульсов синхронизации строк входного TBC. При этом между частотами ТС и строк устанавливают кратное отношение. В случае недостаточной стабильности параметров исходного сигнала синхронизации ТС генераторы могут также использоваться и в режиме бескварцевой стабилизации, что обычно связано с необходимостью увеличения частотного диапазона и быстродействия автоматической подстройки частоты и фазы тактового сигнала. Недостатком такого варианта является возрастание при АЦП шумов фазового типа.
В структуру ГСТЧ также входят делители частоты, один или больше варикапов, каскад формирования тактового сигнала, фазовый детектор, элементы усиления и селекции сигнала автоподстройки частоты и фазы задающего генератора к параметрам сигнала импульсов синхронизации. В ИС АЦП преобразуют входной TBC в отсчеты ЦТВС, содержащие сигналы значащих разрядов параллельного двоичного кода, соответствующего каждый выборке аналогового TBC. В устройстве рис (1.3.3), преобразование осуществляется с частотой (первичной) и числом разрядов, значительно превышающими минимально-возможные значения дискретизация исходного TBC (Fd 13,5МГц и число разрядов В=8). Далее в блоке цифрового фильтра (БЦФ) ограничивают полосу частот ЦТВС, а в блоке преобразования (БП) реализуют понижение частоты дискретизации и числа используемых разрядов.
Преимущество БЦФ - линейная ФЧХ. Получение требуемой крутизны среза АЧХ цифрового фильтра определяет необходимость учёта составляющих конечно- импульсной характеристики (КИХ) БЦФ с малыми значениями амплитуд, что может быть реализовано за счёт увеличения числа уровней квантования в ИС АЦП (числа разрядов В=8). Частота первичной дискретизации в ИС АЦП должна быть выбрана из условия минимизации искажений от пересечения составляющих спектра ЦТВС, характерных для варианта с включением ФНЧ перед ИС АЦП. С увеличением , по отношению к частоте = 13,5 МГц естественно, уменьшаются искажения подобного рода. Интерес, однако, представляет минимально возможное конкретное значения которое обеспечит качества ЦТВС на выходе устройства рис (1.3.3), аналогичное качеству ЦТВС при использовании ФНЧ на входе устройства с требуемый стандартизованной формой АЧХ и с отсутствием искажений в форме его ФЧХ. Это связано с тем, что увеличение 1"пч ужесточает требования к ИС АЦП, БЦФ и БП и соответственно затрудняется реализация варианта цифрового формирования (рис 1.3.3) в целом. Будем оценивать искажения дискретизации отношением следующего вида [1].
Моделирование действия пятиканального пространственного фильтра с подавлением фоновых составляющих изображения для формирования отсчетов сигнала изображения
Фактически при наблюдении изображений на экранах воспроизводящих устройств приходится иметь дело с контрастами, намного меньшими оптимального. При этом обнаружительная и различительная способность зрения зависит не только от углового размера изображения объекта и его яркости, но и от контраста. Изображение с прямым контрастом лучше воспринимается глазом, чем изображение с обратным контрастом. При прямом контрасте увеличение яркости изображения приводит к увеличению яркости фона и, как следствие, к увеличению яркости адаптации, приближая ее к оптимальной с позиции остроты зрения.
Временные характеристики зрительного восприятия изображений связаны с инерционными свойствами зрения и имеют большое значение при наблюдении за движущимися объектами или за объектами, предъявляемыми наблюдателю кратковременно. При таком характере наблюдения яркость изображения, воспринимаемая глазом, или эффективная яркость, оказывается зависящей от длительности раздражения сетчатки глаза. В результате при коротких раздражениях эффективная яркость L3 оказывается существенно меньше действительной яркости L.
Если принять, что объект появляется перед наблюдателем в нулевой момент времени, то в интервале времени от - до 0 наблюдатель воспринимает только яркость фона, причем Ьэ.ф = Ьф.
На схеме рис. 2.1.3 показана система охраны объектов, отраженный от которых световой поток попадает в объектив телевизионной камеры (TBK). Телевизионное изображение с выхода TBK контролируется на видеоконтрольном устройстве и параллельно соответствующий сигнал поступает на детектор движения и на блок управления объектива TBK. В зависимости от средней освещенности контролируемых объектов автоматически изменяют размер диафрагмы в объективе - увеличивают при, например, падении освещенности контролируемых объектов. Целесообразно использовать объектив с регулировкой угла поля зрения в широких пределах (от -12 до -90). Современные объективы с переменным фокусным расстоянием - вариообъективы позволяют изменять масштаб изображения в процессе передачи[1,2]. При их конструировании обеспечивается высокая стабильность положения на плоскости резкого изображения при формировании потенциального размера в TBK и постоянство относительного отверстия в условиях изменения фокусного расстояния. Преимуществом вариообъективов является увеличение относительного размера мелкоструктурного объекта в определенном участке контролируемой зоны. Телевизионные камеры (TBK), которые используют в системах охраны объектов, обладают высокой чувствительностью (порядка -0,01 - -0,001 люкс) и разрешающей способностью (400-450 TBJI), отношением С/Ш -50-60 ДБ. Сигнал изображения от TBK поступает на детектор движения. В современных детекторах движения реализуют усреднение локальной информации в устройстве запоминания. Усредненную информацию сравнивают с текущей. С выхода TBK сигнал также поступает на видеоконтрольное просмотровое устройство, где сигнал контролируется непосредственно оператором. Сигнал "нарушения"(тревоги) с выхода детектора движения поступает на устройство сигнализации. Недостатком данного варианта, кроме утомляющего воздействия на оператора постоянного изображения, являются ложные срабатывание детектора, что приводит к общему ослаблению внимания при субъективном видеоконтроле и потер видеоинформации в моментах нарушений. Следует заметить, что обычно фиксируют с низкой частотой кадров видеоинформацию и в моменты отсутствия нарушений. В моменты нарушений частоту записи кадров резко увеличивают. Недостатком системы данного типа является отсутствие обнаружения очень медленных движений и низкое отношение сигнала к шуму из-за отсутствия противошумовой обработки. В составе устройства четыре телевизионных камеры, четыре блока детектора движения, блок преобразования (квадратор), видеоконтрольное устройство (его экран разделен на четыре части) и устройство сигнализации. ТВ сигналы с выходов TBK поступают на детекторы движения, где реализуется усреднение локальной информации в устройстве запоминания. Усредненную информацию сравнивают с текущей. Сигналы с выходов блока детекторов движения поступают на устройство сигнализации, которое дает сигнал «тревога». С выхода блока детекторов ТВ сигналы поступают на квадратор (преобразователь масштаба каждого из контролируемых изображений), где преобразуются в четыре выходных независимых телевизионных изображения, чередующихся в пространстве основного экрана. В каждом изображении уменьшается число элементов по горизонтали и по вертикали в два раза, соответственно общее число воспроизводимых изображений возрастает в четыре раза и в четыре раза уменьшается четкость каждого из изображений. С выхода квадратора сигнал поступает на видеоконтрольное устройство. При этом экран разделяют на четыре части. В пределах каждой из частей экрана воспроизводят ТВ изображение от одной из четырех камер. Преимуществом этого варианта является низкая скорость сканирования отдельных изображений. Поэтому влияние инерционности зрительной системы не очень велико. Это преимущество позволяет уменьшить утомляемость оператора и увеличить эффективность видеоконтроля объектов.
