Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Специфика характеристики и параметры информационных сигналов систем наземного видеоконтроля удалённых объектов 15
1.1. Системы телевизионного контроля удалённых объектов 15
1.2. Масштабно-пространственные преобразования видеоинформации в системах телевизионного контроля удалённых объектов 21
1.3. Относительный контроль параметров удалённых объектов на выходе телевизионной камеры 31
1.4. Разработка дискретно- периодического алгоритма преобразования видеоинформации в системах наземного телевизионного контроля 39
1.4.1. Высокочастотные пространственные искажения видеоинформации в датчиках телевизионного сигнала 46
1.5. Выводы 50
Глава 2. Специфика функционирования, основные параметры и характеристики элементов оборудования систем охраны удалённых объектов 52
2.1. Твердотельных датчики сигнала телевизионных изображений 52
2.2. Характеристики и параметры телевизионных камер на матрицах ПЗС... 61
2.3. Искажения формирования сигналов ТВ изображений в преобразователях "свет/сигнал" на ПЗС 79
2.4. Регулировка параметров сигнала изображений и коррекция искажений в ТВ камерах на ПЗС 84
2.5. Выводы 93
Глава 3. Формирование и преобразования видеоинформационных сигналов в системах неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов 95
3.1. Реализация неортогонального телевизионного контроля видеоинформационного пространства 95
3.2. Разработка принципов параметрической оценки и сжатия спектра видеоинформационных сигналов для систем неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов 103
3.3. Формирование и преобразования видеоинформационных сигналов в системах неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов. 116
3.3.1. Формирование видеоинформационных сигналов с прослеживанием объектов 118
3.3.2. Подавление шумовых составляющих и преобразование телевизионного сигнала в цифровую форму 119
3.3.3. Преобразования транспортного цифрового потока 125
3.4. Выводы 130
Глава 4. Разработка устройств формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов. Результаты экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ 133
4.1. Разработка устройства подавления шумовых составляющих и преобразования телевизионного сигнала в цифровую форму 133
4.2. Разработка устройства сжатия спектра телевизионного сигнала для систем видеоконтроля объектов 143
4.3. Разработка устройства для неортогонального телевизионного контроля объектов 150
4.4. Результаты экспериментальных исследований методов и устройств формирования сигналов в системах неортогонального контроля объектов.. 155
4.5. Выводы 162
Литература 164
- Масштабно-пространственные преобразования видеоинформации в системах телевизионного контроля удалённых объектов
- Искажения формирования сигналов ТВ изображений в преобразователях "свет/сигнал" на ПЗС
- Разработка принципов параметрической оценки и сжатия спектра видеоинформационных сигналов для систем неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов
- Разработка устройства сжатия спектра телевизионного сигнала для систем видеоконтроля объектов
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время задача обнаружения (селекции) изменений в пространственно-временной и цветовой структуре изображений при телевизионном (ТВ) контроле объектов, является безусловно актуальной. Решение данной задачи существенно усложняется в условиях низкой или не оптимальной по уровню и спектральному составу освещенности контролируемых объектов, при необходимости селекции медленно-временных изменений в структуре ТВ изображения, определяющих несанкционированное вторжение, при воздействии на текущий ТВ сигнал помех, мешающего действия локальных и распределённой подсветки от источников света1 и т.д.
При видеоконтроле в естественных (наружных) условиях мешающее влияние могут оказывать изменения мелкоструктурных составляющих изображения: колебания листвы и ветвей на деревьях, наличие в зоне контроля разнородно-освещенных объектов, теневых, в области контроля, зон, фоновых изменений во времени средней освещенности, погодных условий, муаровые преобразования мелкой структуры. изображений, маскирующие несанкционированное нарушения задымлением, распылением и др.
Существенное влияние на эффективность видеоконтроля оказывает и заданный режим контроля объектов: с регистрацией нарушений или без регистрации, с пространственно спектральной селекцией и опознаванием типа, средств, элементов и инициаторов нарушений или без такового, с передачей соответствующих последовательностей информационных сигналов* на удалённый пункт реагирования или нет, с приёмом' сигналов управления режимом работы системы видеоконтроля и реагирования от пункта приёма (интерактивность) или нет.
В действующей системе видеоконтроля существенное внимание должно быть уделено защите функциональных элементов и обеспечению живучести при функционировании посредством её реализации в виде структуры с определённым числом независимо и параллельно действующих составляющих, обеспечивающих разнородный и взаимодополняющий контроль смежных зон
5 пространства объектов с определённой степенью резервирования. При этом,
коммутации введённых дополнительных связей между указанными
независимыми составляющими с соответствующим изменением условий и
режима их использования обеспечивает, при выходе из строя отдельных из
последовательно включённых функциональных элементов, сохранение
работоспособности системы в наиболее важных, по крайней мере, для
видеоконтроля участках контролируемого пространства. Достоинством такого
варианта построения является возможность адаптивного изменения общей
конфигурации функционирования системы при изменении условий,
требований, типа, местоположения и формы контролируемых объектов.
Интегральный учёт всей совокупности существующих и возможных требований к функциональным характеристикам и параметрам системы видеоконтроля фактически невозможно обеспечить в рамках реализации одного, общего для всех случаев, например, адаптивного варианта. Экономически выгодно определить и разработать ограниченное число типовых вариантов систем видеоконтроля; обеспечивающих эффективное и относительно полное целевое решение ограниченного круга задач для наиболее часто встречающихся и в тоже время существенно разнородных условий применения. Использование таких вариантов и составляющих их структуры для решения более сложных, комплексного типа, задач видеоконтроля, существенно упростит в экономическом отношении реализацию систем, удовлетворяющих по характеристикам функционирования требования подавляющее числа пользователей.
Одним из наиболее сложных вариантов является вариант текущего ТВ контроля удалённых объектов. Сложность в данном случае в основном определяется необходимостью передачи видеоинформационных сигналов на относительно большие расстояния с использованием узкополосных каналов связи. При этом чаще всего целесообразно, опираться на уже реализованные системы, например, мобильной связи. Соответственно в любом случае в системе контроля удалённых объектов должно быть предусмотрено применение цифрового сжатия видеоинформационных ТВ сигналов.
Важное значение имеет также правильное согласование
информационных характеристик сигналов изображений и характеристик
операций процесса их преобразования, цифровой обработки и кодирования.
Это обусловливает необходимость дифференциального выявления и
конкретизации пространственно-временных параметров
видеоинформационных сигналов на всех этапах процесса их формирования. Решению указанных задач и посвящено содержание разделов данной работы.
Общая характеристика работы.
На современном этапе необходимо осуществить переход к ТВ системам, реализующим автоматизированный в текущем времени ситуационный контроль с опознаванием и с конкретизацией, без участия оператора, необходимой реакции исполнительной составляющей системы на развитие ситуации в пределах контролируемого пространства. Однако решение указанной актуальной задачи невозможно осуществить без проведения научно-технических работ, обеспечивающих увеличение эффективности обнаружения информационных изменений в структуре контролируемых изображений и возможность прецизионной оценки обнаруженных изменений по ограниченному ансамблю формализованных параметров (признаков идентификации) при предельно неблагоприятных условиях реализации видеоконтроля.
Экономически, на наш взгляд, выгодно определить и разработать ограниченное число типовых, минимизированных по количеству элементов оборудования, вариантов систем (ячеек) автоматизированного видеоконтроля, реализующих эффективное и относительно полное целевое решение ограниченного круга задач для наиболее часто встречающихся, и в тоже время, существенно разнородных условий применения. Комбинирование таких вариантов для решения более сложных, комплексного типа, задач видеоконтроля, существенно упростит реализацию распределённых систем контроля, удовлетворяющих по характеристикам функционирования подавляющее число пользователей. При этом одним из наиболее сложных и, вместе с тем, актуальных для настоящего времени является вариант
.: .7 '..".'
автоматизированного видеоконтроля удалённых объектов с неортогональным
позиционированием ТВ" камеры по отношению к подстилающей поверхности.
Это, в основном, определяется возникновением сопутствующих такому.
варианту масштабных искажений структуры изображений и необходимостью
передачи видеоинформационных сигналов на относительно . большие
расстояния с использованием узкополосных каналов связи.
Решение задач формирования, и цифровой обработки информационных
сигналов в системах ТВ контроля объектов в автоматическом режиме должно,
также осуществляться на основе исследования специфики преобразований и
искажений ТВ сигналов в оптическом и электрическом тракте подобных
систем: Именно такой подход! , использовался в .представленной
диссертационной работе. Полученные: при1 этом і результаты теоретических, иг
Г экспериментальных исследований специфики искажений обеспечили основу
; ..'.'.. для разработки эффективных методовш'устройств; формирования необходимых
информационных сигналов:и данных,.представленных в диссертации!. . ',
'' '..';.'.,-Цель',-й:3адачи.раб6тьіі.- :';
Целью?! настоящей; диссертационной работы является: разработка,, ^эффективных методов; алгоритмов, и устройств формирования . и
: преобразования сигналов изображений в системах ТВ контроля объектов,
использованием которых обеспечивается выделение информационных
! составляющих в структуре контролируемых изображений; оценка.
k ограниченного ансамбля . соответствующих формализованных параметров
і (признаков идентификации текущей? ситуации), передача.и архивирование
? . необходимых: информационных сигналов; и данных.
Для? достижения'поставленной цели в; работе решены следующие научно-
[ практические задачи:, .;
1. Предложен вариант построения'Системы контроля: удалённых ^объектов с
, параллельной; селективно-логического типа; относительной оценкой их
* состояния; .
2. Исследована специфика преобразования масштабно-пространственных
і ',' параметров і видеоинформациии разработан' дискретно -периодический;
8 алгоритм масштабных преобразований изображений- при наземном ТВ
контроле;
Разработана методика оценки искажений оптического отображения объектов в датчиках ТВ сигнала для случая неортогонального видеоконтроля;
Исследованы характеристики дискретизации сигналов изображений в матричных преобразователей "свет-сигнал" на ПЗС;
Проведён анализ специфики преобразований функции пространства видеоконтроля в зависимости от высоты установки, угла наклона ТВ камеры и угла поля зрения её оптической системы.
Разработаны основы параметрической оценки и метод сжатия спектра-видеоинформационных сигналов для ТВ контроля удалённых объектов.
Разработан метод и алгоритм реализации удалённого видеоконтроля с дискретно ступенчатым прослеживанием объектов.
Разработаны устройства формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов и получены результаты экспериментальных исследований (моделирования на ЭВМ).
Методы исследования
При решении поставленных задач в данной работе использованы современные методы анализа и элементы теории радиотехники, функций и функционального анализа, радиотехнических цепей, телевидения, дискретизации и цифровой обработки многомерных сигналов, численного интегрирования и дифференцирования, линейной алгебры и геометрии, методы спектрального анализа Фурье и др.
Научная новизна работы Научная новизна настоящей работы заключается в следующем:
Проведен анализ искажений ТВ контроля пространственных размеров объектов и разработана методика, вычисления номинальной величины угла при оптическом проецировании объектов на светочувствительную поверхность (СВП) преобразователя «свет-сигнал».
Конкретизированы особенности относительных масштабных
9
преобразований составляющих пространственной структуры
изображений и установления режима работы ТВ камеры при
неортогональном, видеоконтроле.
3. Определена основная специфика весового перераспределения и
преобразований составляющих пространственного спектра объектов в
зависимости от параметров их позиционирования в области ТВ
контроля.
Разработана методика анализа пространственно-частотных характеристик дискретизации сигналов изображений в твердотельных, матричного типа, преобразователях "свет-сигнал".
Показана целесообразность уменьшения степени высокочастотной коррекции амплитудно - частотной характеристики, видеотракта в системах1 цифрового телевидения.
Выявлена необходимость адаптивного изменения таблицы квантования коэффициентов ДКП при сжатии спектра по стандарту MPEG в системах видеоконтроля с неортогональной установкой ТВ камер.
7. Исследованы особенности трансформации пространственно-временного спектра сигналов изображений подвижных объектов в зависимости от скорости их перемещения в пространстве видеоконтроля.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Полученные в работе теоретические результаты и расчётные соотношения обеспечивают осуществление количественной оценки сопутствующих неортогональному варианту видеоконтроля масштабно-пространственных изменений параметров сигналов изображений объектов. Этим фактически создана основа для увеличения эффективности опознавания последних, что позволяет приступить к разработке нового поколения систем, реализующих ТВ контроль в автоматическом режиме.
2. Предложен дискретно-периодический алгоритм преобразования
видеоинформации в системах ТВ контроля, который увеличивает
эффективность их функционирования' в случаях, когда имеет место
10 фиксация расстояний в контролируемом пространстве. При этом в
системе видеконтроля следует перейти к параметрическому определению
изображения текущего контроля в трёхмерной форме, что увеличивает
эффективность решения задач опознавания и учёта специфики поведения
объектов в пределах заданных интервалов времени.
Внедрение разработанных в диссертации методов, алгоритмов и устройств дискретно-ступенчатого прослеживания, формирования, сжатия спектра, оценки изменений сигналов изображений объектов, позволяет в ТВ системах контроля существенно снизить скорость передачи в канале связи цифровых информационных сигналов и сформированных данных по сравнению с существующими вариантами реализации.
Проведены экспериментальные исследования масштабно-пространственных изменений параметров сигналов изображений объектов и разработанного алгоритма формирования сигнала локализации подвижного объекта при реализации неортогонального ТВ контроля.
Теоретические и практические результаты работы использованы при проведении учебного процесса на кафедре телевидения им. СИ. Катаева МТУСИ, при выполнении НИР в лаборатории "Цифровой обработки телевизионных сигналов" (НИЛ-11) НИЧ МТУСИ и внедрены.
Основные положения, теоретические выводы и рекомендации, представленные в материалах данной диссертационной работы, получены автором самостоятельно.
Апробация результатов работы
Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно — технических конференциях профессорско-преподавательского состава, МТУСИ, Москва, 2004-2006 г.г.
Публикации
Материалы диссертационной работы опубликованы в 7 научных работах и представлены в отчетах по НИР НИЛ-11 НИЧ МТУ СИ.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 171 страницах машинописного текста. Список литературы включает 64 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту
Разработанный адаптивный вариант построения системы контроля удалённых объектов с комплексной оценкой их состояния.
Результаты исследования и масштабно-пространственных преобразований видеоинформации в системах ТВ контроля объектов и разработанная методика оценки искажений оптического отображения объектов в датчиках ТВ сигнала.
Разработанный дискретно-периодический алгоритм масштабных преобразований видеоинформации в системах наземного ТВ контроля.
Результаты и соотношения, полученные при анализе характеристик дискретизации сигнала изображений в матричных датчиках ТВ сигнала.
5. Результаты анализа конфигурации пространства видеоконтроля в
зависимости от параметров установки ТВ камеры.
Разработанные принципы параметрической оценки и метод сжатия спектра сигналов изображений для систем неортогонального ТВ контроля.
Разработанный метод и алгоритм реализации удалённого видеоконтроля с дискретно - ступенчатым прослеживанием объектов.
Разработанные устройства формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов, результаты экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ.
12 Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы настоящей диссертационной работы, показано состояние данному направлению, определены цель, задачи и методы исследований. 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 диссертации «Специфика характеристики и параметры информационных сигналов систем наземного видеоконтроля удалённых объектов» проведено сопоставление вариантов систем ТВ контроля удалённых объектов, предложен в вариант структурной схемы, проведён анализ масштабно-пространственных преобразований параметров внутрикадровой структуры сигналов изображений при вариантах ортогонального и неортогонального проецировании видеоинформации на ТВ камеру..Показано, что в последнем случае в структуре сигнала изображения возрастает весовая доля составляющих, соответствующих объектам, локализованным в ближней, по отношению к ТВ камере, зоне пространстве наземного контроля и проецированным во внутрикадровое пространство, разработан дискретно -периодический алгоритм преобразования видеоинформации в системах наземного ТВ контроля. В его основе дискретизация контролируемого пространства периодической совокупностью плоскостей отображения, параллельных СВП и пересекающихся с рельефом поверхности земли.
Во второй главе «Специфика функционирования, основные параметры и характеристики элементов оборудования систем охраны удалённых объектов» рассмотрена специфика функционирования, характеристики и параметры, искажения сигналов изображений и их коррекция в твердотельных телевизионных камерах на матрицах. При этом показано, что с уменьшением формата фоточувствительных матриц ПЗС динамический диапазон по контрасту снижается. Для матриц 1/3 дюйма в два раза, для 1/4 дюйма в четыре раза по отношению к матрицам форматом в 1/2 дюйма. С учётом этого в системах > контроля удалённых объектов, где имеются
существенные падения контраста из — за потерь в среде, от объекта до
оптической системы, следует применять ТВ камеры на матрицах ПЗС с
форматом 1/2 дюйма. В то же время, несмотря на значительные успехи,
достигнутые в последние годы в разработке на основе использования КМОП
технологии твердотельных ТВ камер на.фотодиодных матрицах с координатной
адресацией считывания, трудно ожидать очень быстрого перехода в системах
видеоконтроля объектов: к; повсеместному использованию датчиков данного
типа. Это обусловлено тем, что на современном этапе ТВ камеры, на
фотодиодных матрицах не достигли, по уровню вносимых, шумов и по
чувствительности, того уровня, который обеспечивается при использовании
матриц на ПЗС. В данной главе проведён анализ пространственно-частотных
характеристик распределения светочувствительных; элементов в пределах
растра матрицы ПЗС. /' ..
Вісодержании второй главы также сопоставлены варианты сквозной АЧХ ТВ'трактов и соответствующих импульсных характеристик.. В'результате выявлено, что чрезмерное увеличение степени: высокочастотной. (ВЧ) коррекции в; цифровых системах ТВ контроля объектов со сжатием может также привести к увеличению уровня искажений в смежных блоках при сжатии, например, по стандарту JPEG. С учётом этого в цифровых системах со сжатием спектра необходимо понижать степень высокочастотной (ВЧ) коррекции АЧХ ТВ тракта. Такое требование касается и случаев применения двумерной ВЧ коррекции.
Третья глава диссертации «Разработка методов формирования и преобразования видеоинформационных сигналов в системах телевизионного контроля: объектов» содержит в первом;разделе результаты анализа специфики реализации неортогонального ТВ контроля видеоинформационного пространства. Здесь, в частности, представлены уравнение и соотношения, определяющие изменения конфигурации пространства видеоконтроля в зависимости от параметров установки ТВ камеры: высота h, угол поля зрения у/ и угол наклона камеры в.
14 Проведён анализ специфики относительных масштабных (нелинейных)
преобразований при проецировании области видеоконтроля на ТВ камеру.
Разработке принципов параметрической оценки и метода сжатия спектра
сигналов изображений для систем неортогонального ТВ контроля удалённых
объектов посвящено содержание второго раздела третьей главы данной работы.
На основе логического сопоставления изменений сигналов в эталонном,
предшествующем и текущем кадрах в блоках изображения (совпадающих и
смежных) осуществляется определение в данном случае координат подвижных
объектов. При этом на передающей стороне решается задача селекции ТВ
сигналов движущихся объектов и их параметрической оценки. В их число
входят исходные координаты, момент обнаружения нарушений, относительные
изменения амплитуды сигнала изображения, площади локализации объекта,
момент прекращения общего возрастания площади и др.. По значениям
предшествующих оценок осуществляется предсказание в текущем времени
новых значений перечисленных параметров. В тех моментах, когда величины
отклонений предсказанных значений от фактических превышают заданное
пороговое значение, реализуют регистрацию и передачу соответствующих
(обновлённых) участков видеоинформации во внутрикадровом пространстве и
по межкадровому направлению. Передают также параметры и фрагменты
внутрикадровои структуры изображений, отражающие санкционированные
изменения опорной видеоинформации. Показана необходимость реализации
прослеживания подвижных объектов, определён соответствующий алгоритм
функционирования системы видеоконтроля.
В четвёртой главе «Разработка устройств формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов. Результаты экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ» представлены результаты разработки устройств подавления шумовых составляющих, сжатия спектра ТВ сигнала, неортогонального ТВ контроля объектов и проведённых экспериментальных исследований.
Экспериментальное исследование изменений масштаба при ТВ неортогональном контроле объектов, а также контраста на экране, в
15 зависимости от их удаления от ТВ камеры, реализовано с использованием
конкретной системы, разработанной лабораторией НИЛ-11 МТУ СИ с учётом
результатов данной работы. Особенностью объекта является достаточно
равномерная освещенность (лампами накаливания) такого уровня, что ТВ
камера работает в линейном режиме при практически открытой диафрагме
оптической системы. Использование ламп накаливания обеспечило
согласование со спектральной характеристикой ТВ* камер на ПЗС и общее
увеличение уровня выходного ТВ сигнала.
Выявлено возникновение значительной асимметрии в изменении уровня
ТВ сигнала вдоль оптической оси. Спецификой, в данном случае, является не
только локализация максимума уровня ТВ сигнала в точке пересечения.
оптической оси ТВ1 камеры с подстилающей поверхностью, но и существенное
снижение крутизны его падения с уменьшением угла проецирования объектов
на её светочувствительную поверхность. Проведённый эксперимент показал
существенное, ассиметричного типа, снижение четкости ТВ* изображений с
удалением положения объекта от точки пересечения оптической оси ТВ камеры
с подстилающей поверхностью. При этом градиент снижения чёткости ТВ
изображений маркеров наиболее существенно возрастает в ближайшей к ТВ
камере области.
Масштабно-пространственные преобразования видеоинформации в системах телевизионного контроля удалённых объектов
Преимуществом систем наземного контроля удалённых объектов с использованием- стационарно установленных на высоте ТВ камер является возможность осуществлять текущую модернизацию используемых алгоритмов формирования, цифровой обработки и кодирования видеоинформационных сигналов без существенных капитальных затрат.
На рис. 1.2 схематически показан вариант наземного контроля ситуации с использованием установки ТВ камеры (камер) на вышке, позволяющей осуществлять обзорный стационарный контроль удалённого наземного участка местности. Здесь ПНК- пространство наземного контроля, ПИОК — пространство (поверхность)- идеального ортогонального контроля, ПОК-пространство ортогонального контроля. Поверхность идеального оптического отображения чаще всего имеет форму сферы. Первоначально рассмотрим специфику идеального ортогонального контроля.
При идеальном ортогональном контроле видеоинформация, распределённая в пределах соответствующей поверхности (ПИОК) проецируется в плоскость изображений ПИ. Из-за несовпадений форм поверхностей в пространствах объектов и изображений возникают соответственно искажения контроля расстояний в видеоинформационном пространстве и габаритных размеров в пространственной структуре объектов. Если понятие протяженности объекта сопоставлять с выбором максимального из его существующих размеров по направлениям в пространстве хОу, то последующим определением максимального размера по ортогональному направлению выявляется прямоугольная область локализации объекта. Усреднённые размеры объекта могут в таком случае, например, определяться с использованием реальной площади объекта. Важное значение при видеоконтроле имеет отношение площадей контролируемого объекта и всего пространства ортогонального контроля. Будем полагать, что в идеальном случае поверхность ортогонально контролируемого пространства локализована в пределах поверхности сферы (поверхность идеального ортогонального контроля - ПИОК на рис 1.1): По отношению к точке локализации телевизионной камеры контролируемое пространство одновременно ограничивается вдоль оси Oz функцией конуса: Совместным решением соотношений (1.1) и (1.2) найдём выражение для границы контролируемой поверхности, одновременно принадлежащей конусу и сфере. С этой целью подставим (R-Y) из (1.2) в соотношение (1.1). В результате имеем: Подставим (1.3) в соотношение (1.1): Соответственно отображение будет осуществляться идеальным образом для объектов, высота установки которых по отношению к ПОК на границах увеличивается, согласно соотношению (1.4). В реальных условиях местоположение контролируемых объектов чаще всего не отражается идеальной сферической поверхностью ПИОК. При этом наиболее неудачным вариантом является распределение контролируемых объектов в пространстве, имеющее форму обратную ПИОК. В некотором роде промежуточными между этими, двумя; случаями является, вариант распределения контролируемых объектов в соответствии с ПОК. Рассмотрим более подробно; специфику искажений оптического отображения участков-видеоинформационного пространства, распределённых в пределах ПИОК, в ПИ. Площадь, охватывающая объект в-центре; ПОК, т.е. с координатами местоположения: Oft во внутрикадровой плоскости; хОу будет, при линейных размерах по; вертикали и горизонтали, Ах и Ау (Ах = Ау), отражаться значением So Ax—Ay .Если, вхоответствии с рис.1.2, расстояние от точки О до объекта с координатами ДО составляет величину Z и угол его. отображения на плоскость ПИ с его;центром совмещенным с оптической осью; имеет величину (ро= Аф, то без; учёта изменения; абсолютного масштаба, связанного с оптическим; отображением плоскости ПИОК на ПИ- имеет место следующее; соотношение.
Соотношения (1.5 - 1.6). справедливы для варианта, когда оптическое отображение реализуют в пределы поверхности, имеющей форму плоскости. Идеальным является вариант,; когда поверхность в пространстве изображений, на которую оптически проецируют видеоинформацию, совпадает по своей; форме с ПИОК в контролируемом пространстве. В таком случае соотношения для Ах упрощается: Соответственно- при распределении контролируемых объектов на эквивалентном расстоянии от центра ТВ камеры;- относительный; размер4 отображения объектов; в пределы, светочувствительной поверхности датчика телевизионного сигнала пропорционален; тангенсу половинного угла проецирования; а площади — его квадрату. Степень внесённых при этом масштабных изменений пространственных параметров; определяющих опознавание: контролируемой видеоинформации, из-за отклонения; формы, светочувствительной поверхности от сферической определяется углом .71 проецирования. На интервале изменения модуля аргумента — имеем, Если верхний предел искажений ограничивать значением 110", то, согласно рис. 1.3. угол оптического проецирования по крайней мере не должен превышать своего предельного фпр значения в 0,15 радиан (8,55 градуса). Фактическая ошибка оценки размера объекта углом проецирования в таком случае зависит от расстояния между объективом и поверхностью идеального ортогонального контроля:
С учетом реальных пространственных параметров контролируемой видеоинформации (неравномерность расстояний от объекта до оптической системы и распределения, разнородная протяжённость и местоположение объектов) для каждого варианта предельной ошибки в отражении масштаба структурных составляющих объекта должно выбираться своё номинальное значение ср фпр Если, например, Z=100 метров, масштабная ошибка в 0,1 метра возникает при Єо(фсі)= 5 10 и, в соответствии с рис 1.3, при оптическом проецировании с фпр=2- ф(1=2,6,5 =13 .
Рассмотрим возможный вариант конкретизации фн. Практически динамическое отклонение от линейности функции Єо(фсі) на заданном участке определяется величиной отклонения на этом участке значения аргумента от значения, соответствующего простой линейной аппроксимации в пределах анализируемого участка. Линейной аппроксимации соответствует постоянное значение производной от аппроксимируемой функции в пределах анализируемого участка. Целесообразно при этом выбрать её усреднённое значение. Производная от функции имеет следующий вид Нижнее значение аргумента феї =0. При щ =0 функция производной D d)=0. График функции производной є0(фсі) показан на рис. 1.4.
Искажения формирования сигналов ТВ изображений в преобразователях "свет/сигнал" на ПЗС
При переносе зарядов в ПЗС- регистре сдвига некоторая, малая часть зарядов остаётся под электродом. Это явление, называемое неэффективностью переноса, обусловлено в основном двумя физическими процессами: запаздыванием переноса на высоких частотах и захватом не основных носителей поверхностными ловушками. Причиной, поверхностны ловушек являются дефекты кристаллической структуры и примеси в материале подложки регистра сдвига. Наибольшая концентрация ловушек в поверхностном слое подложки, поэтому и называют их поверхностными ловушками. Концентрация ловушек в толще материала подложки в сотни раз меньше чем на поверхности. Эти ловушки не заполнены зарядами, при попадании зарядового пакета под фазовый электрод ловушки в течении короткого промежутка времени-заполняются, после чего начинают отдавать: заряды в фазовые электроды со скоростью, экспоненциально зависящей от времени. В результате часть носителей из одного пакета попадёт в последующий .зарядовый пакет.
Для численного выражения данного; процесса используется понятие неэффективность переноса є = &i І %, где So - заряд, первоначально находившийся под фазовым электродом; % - перенесённый) заряд. Следовательно величина є численно характеризует оставшуюся, перенесённую, часть зарядового пакета.
Для ПЗС - регистров, с поверхностными3 каналамиг неэффективность единичного переноса Б; на больших частотах, до десятков МГц. составляет незначительную величину: 10"3 ...10"4. Однако: при большом1 количестве переносов (п) эти потери могут составить значительную: величину определяемую следующим;выражением: $ = & 0 (Г — m п), гдетп- количество-фаз регистра сдвига, п-количество групп фаз. Для значений: є = 10" , m = 3, n — 1000 $ = 0,7. При увеличении п неэффективность переноса возрастает. Неэффективность переноса можно уменьшить путём уменьшения число фаз регистра сдвига,, например путём использования двух фазных и однофазных регистров сдвига. Неэффективность переноса, в ИЗЄ регистрах сдвига с объёмным каналом существенно; меньше, по сравнению с таким же регистром; с, поверхностным каналом, в силу того, что количество ионных ловушек в поверхностном слое полупроводника существенно; больше чем в глубине полупроводника: . Неэффективность переноса приводит к завалу КЧХ ФМПЗС, особенно это заметно в левой части изображении; а в правой частине оказывает влияния. Муаровые искажения.
Наложение спектра - явление, при котором высокочастотные детали изображения ошибочно: передаются как низкочастотные; иногда этот эффект проявляется в виде муаровой картинки в тех местах, где изображение: содержит мелкие повторяющиеся с относительно высокой частотой детали, например, уходящую вдаль изгородь, имеющую периодическую структуру. В этом случае при дискретизации имеют место совместные нелинейные преобразования гармоник структуры дискретизации и сигнала изображения. В результате в структуре спектра возникают мешающие низкочастотные и высокочастотные составляющие, являющиеся продуктами нелинейный преобразований с относительно низкой частотой дискретизации. строках развертки оказываются мельче шага дискретизации (fs), который для ФМПЗС определяется количеством пикселей в строке.
Апертурный предел разрешения соответствует частоте, позволяющей на ширине апертуры уложиться двум строкам развертки, а предельное разрешение, не дающее наложения спектра, равно половине этой частоты! Очевидно, что наложение спектра надо как-то предотвратить или хотя бы ослабить. Для этого используют оптический фильтр нижних частот (НЧ-фильтр) - несколько слоев стекла со слегка замутненной поверхностью, находящиеся поверх матрицы ПЗС и слегка размывающие мелкие детали. В идеале функция передачи модуляции (ФПМ) такого фильтра должна составлять 100 % для всех частот ниже того предела, после которого возникает наложение спектра (предел Найквиста), а выше него - сводиться к нулю. К сожалению, это невозможно: характеристики фильтра могут изменяться очень резко, но не до бесконечности. Да и с практической точки зрения было бы нежелательно полностью отсекать характеристику в точке предела Найквиста, так как в этом случае потеряется слишком много мелких деталей. При проектировании фильтров приходится выбирать компромиссное решение между минимизацией наложения спектра за счет подавления высокочастотных деталей и передачей деталей ценой пропускания некоторого количества ложных частот. Изготовители выбирают разные решения. Те из них, чьи ФМПЗС имеют запас по разрешению, предпочитают подавление деталей, у кого же такого запаса нет, обычно идут на более сильное наложение спектра, пропуская некоторую долю высокочастотной информации.
Апертурные искажения. Развертывающая, или считывающая апертура - это конфигурация в пределах растра эквивалентной площади сечения анализирующего элемента, изменениями размера и формы которой при постоянной интенсивности, приблизительно, определяется действие импульсной характеристики ТВ камеры как фильтра низких пространственных частот. Если по сравнению с передаваемыми деталями апертура мала, то глубина модуляции в телевизионном сигнале будет большой. По мере увеличения частоты следования в пределах растра и уменьшения размеров деталей глубина модуляции снижается. Эквивалентное сечение анализирующего элемента своей площадью при анализе в определённой степени перекрывает и усредняет по уровню смежные элементы изображений. Указанное усреднение и проявляется в телевизионном сигнале падением возможной степени изменения уровня в смежных элементах сигнала изображения, что определяет падение глубины модуляции при отображении высокочастотных пространственных составляющих. При этом высокие пространственные частоты определяют не только качество передачи мелких деталей, но и резких перепадов уровня освещённости на изображении. Такие частоты есть везде, где очень близко друг к другу находятся светлые и темные места. Соответственно увеличение апертурных искажений проявляется падением уровня сечения сквозной пространственной частотной характеристики ТВ системы по данному направлению в пространстве растра.
Разработка принципов параметрической оценки и сжатия спектра видеоинформационных сигналов для систем неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов
По существу ТВ. изображение в прямоугольной системе координат является многомерной функцией 0{x,y,t,X) четырёх аргументов: время —t, пространство по направлению х, пространство по направлению у, цветовое направление—Я. Спектр данной функции, которая отражает распределение мощности электромагнитного излучение от объектов наблюдения в области видеоконтроля, также описывается многомерной функцией -S(cox,co,co,v). В данном случае сох, со - пространственные частоты Процесс сжатия спектра ТВ изображения основан на селекции изменений параметров видеоинформационного сигнала по любому из указанных направлений видеоинформационного пространства и кодировании выявленных изменений для передачи с минимизацией объёма передаваемой информации до уровня, обеспечивающего на приёмной стороне необходимое качество реставрации сигнала. Информативными параметрами отдельного элемента полного алфавита структуры изображения является положение данного элемента, например, во внутрикадровом пространстве, уровень соответствующего сигнала. Экономично должны кодироваться также совокупности (участки) смежных элементов, сохраняющих, например, в пределах заданного диапазона отклонений, один и тот же уровень. Тогда при кодировании сообщений кодом переменной длительности (длин серий) кодовое слово может быть составным: первая часть отражает уровень, а вторая часть-протяжённость последующего участка с таким фиксированным уровнем. Частным случаем данного варианта является случай, когда относительно протяжённые участки (последовательности) между элементами с изменениями уровня являются фиксированными по значению, например, равным нулю. Тогда в одной из частей кодового слова следует кодировать число элементов (длина серии) фиксированного уровня, отделяющих один от другого элементы, уровни которых отличаются от фиксированного.
Проблема при сжатии, собственно, и состоит в том, чтобы получить сигнал, имеющий достаточно большое количество нулевых значений. В системах вещательного ТВ данная задача решается за счёт перехода в спектральную область (ДКП) при передаче видеоинформации блоками. При этом имеет место распределение дискретных компонент пространственного спектра в пределах соответствующей матрицы значений пространственных частот. Составляющая наиболее низкой частоты позиционируется в левом верхнем углу матрицы. Число компонент спектра равно числу пикселов блока. Значения уровней компонент и их число в спектре конкретного блока пикселов обычно снижается с увеличением частоты. Минимальный уровень чаще всего имеет компонента в правом нижнем углу матрицы. Последнее определяет целесообразность диагонального сканирования двумерной матрицы распределения коэффициентов спектра в каждом из независимых блоков с весовым преобразованием и сопутствующим снижением точности квантования уровня коэффициентов спектра высокочастотных составляющих. В результате имеет место появление значительного числа нулевых значений в высокочастотной части матрицы спектра блока и возможность кодирования полученной одномерной последовательности методом «длин серий». Далее полученная последовательность кодируется кодом Хаффмана. Энтропия ограниченного, из полного алфавита, числа1 ( от нуля до к-1) элементов определяется суммой: где pt -вероятности каждого из элементов. Энтропия определяет наименьшее, в среднем, число бит, необходимое для описания алфавита данных элементов.
При отличающейся вероятностях элементов существенно падает энтропия. Пусть, например, вероятности семи элементов алфавита s,,s , s s s s s имеют значения: Следовательно, среднее число бит на элемент для данного примера составляет величину, приблизительно, 1,5 бита. Присвоим элементу код - 1; элементу s2 01; элементу - 001; элементу - 0001; элементу - 00001; элементу - 000001; элементу Sg - 0000001; элементу s7- 0000000. Рассмотрим сообщение в виде последовательности тридцати элементов: Этому сообщению соответствует сигнал цифровой последовательности: которая состоит из пятидесяти шести битов. Следовательно при кодировании данного сообщения используется в среднем 1.8 бит на один элемент. Это не слишком существенно отличается от вычисленной ранее величины /7 = 1,4363. С увеличением протяжённости сообщений полученный средний результат может и понижаться. Во внутрикадровом пространстве исходного ТВ сигнала изображений изменения фиксированной во времени видеоинформации по строке (горизонтальное по растру направление) или от строки к строке (вертикальное по растру направление) передаются через пространственный интервал, равный протяжённости элемента Передача внутрикадровой видеоинформации (её каждого элементарного отсчёта) реализуется по временному направлению с частотой кадров. Передача внутрикадровой видеоинформации (её каждого элементарного отсчёта отсчета) по цветовому направлению выполняется параллельно во времени в виде яркостной и цветоразностных составляющих, первая из которых обычно передаётся с относительно более высокой пространственной разрешающей способностью. При сжатии в первую очередь следует выделить участки с изменениями структуры изображения, трансформации которых во времени и передают на приёмную сторону, что в конечном итоге позволяет представить на приёмной стороне степень и характер изменений сцены. Селекцию таких областей реализуют за счёт сравнения текущей и размещённой в архиве видеоинформации с учётом параметров определяющих в текущее время адрес архивирования и соответствующие изменения архивированной видеоинформации в зависимости от штатных вариаций таблицы параметров с течением времени.
Объём во внутрикадровом пространстве изменяющихся во времени участков видеоинформации по отношению к общему объёму, т.е. с учётом тех, которые остаются стабильными, и определяет, в конечном итоге, степень сжатия. С учётом того, что на приёмную сторону необходимо передавать координатную информацию, определяющую траекторию движения объекта реализующего нарушение в пределах контролируемого пространства, то некоторым преимуществом обладают методы сжатия с дискретным разделением контролируемого пространства на независимые участки, являющихся опорными для пространственной локализации в пределах кадра несанкционированных изменений видеоинформации во времени. При этом сжатие пространственного спектра указанных участков изображения может осуществляться раздельно с последовательной передачей на приёмную сторону видеоинформации Соответственно относительные изменения, которые определяются при сравнении штатной и текущей ситуаций выявляются как нарушения в зоне видеоконтроля. Именно эти изменения штатной ситуации являются информативными.
Разработка устройства сжатия спектра телевизионного сигнала для систем видеоконтроля объектов
Задача разработки устройства сжатия должна решаться в данном случае за счёт жёсткого учёта структуры исходного (эталонного) изображения и локализации участков, содержащих новые, в информационном отношении, фрагменты изображения. При этом основное внимание, собственно, должно быть обращено на селекцию изменений видеоинформационного содержания и устранение повторного архивирования или передачи одной и той же видеоинформации. Необходимо обеспечивать формирование на передающей стороне сигналов, определяющих специфику изменения параметров текущей видеоинформации, передача которых на приёмную сторону даёт базу для синтеза изменений видеоинформационного содержания на приёмной стороне, и определяет, в конечном итоге, увеличения степени сжатия. Последнее связано с соответствующим снижением объёма передаваемых в таком случае (управляющих) данных по отношению к варианту передачи самой меняющейся видеоинформации. С учётом этого необходимо реализовать эффективное использование предложенного в третьей главе данной работы принципа координатного позиционирования блоков с фазовым смещением координат.
При этом в качестве базовой целесообразно использовать структуру элементарных блоков, в каждом из которых содержится 4x4 отсчёта. Из таких блоков формируют две смещённые последовательности блоков, содержащих по 8x8 отсчётов. В свою очередь отдельная структура блоков, в каждом из которых содержится 8x8 отсчётов, позволяет сформировать смещённые последовательности блоков, содержащих 16x16 отсчётов и т д. При определении подвижных объектов предлагается использовать видеоинформацию всей структуры изображения в сочетании с сигналом межкадровой разности. При этом на передающей и приёмной сторонах следует иметь и пополнять архив исходных (эталонных изображений), в котором накоплены варианты ситуации в зоне видеоконтроля, соответствующие отсутствию нарушений, и в условиях возникших нарушений создавать оперативный архив. В оперативном архиве накапливают отсчёты, отражающие изменения текущей ситуации в зоне видеоконтроля. С использованием отсчётов (оперативных и эталонных), а также вариаций временем задержки при формировании сигналов межкадровых разностей следует обеспечить выделение сигналов изображений подвижных объектов, реализующих нарушение в зоне видеоконтроля. В соответствии с выделенными сигналами сформировать сигналы областей координат текущей локализации таких объектов и определить их центры. С учётом текущего перемещения центра предсказать сигнал изображения и координаты последующей фазы объекта, обеспечить в системе передачу блоков и отдельных отсчётов внутрикадрового пространства, отражающих превышение порога сигналом разности предсказанного и текущего изображений подвижного объекта, реализующего нарушение. Наиболее сложной задачей предложенного варианта устройства сжатия является выделение подвижных объектов, являющихся причиной нарушения. Здесь следует раздельно контролировать изменения амплитуды и площади позитивной и негативной составляющих сигнала разности текущего кадра изображения и эталонного, которое ранее было архивировано в условиях отсутствия нарушений.
При этом завершение существенных анизотропных изменений площади может определять следующее: 1. Неизменность координат объекта; 2. Возможность текущего формирования сигнала, отражающего во внутрикадровом пространстве текущее положение области локализации движущегося объекта, установление координат центра такой области и прослеживания траектории изменений указанных координат. Для неизменного (в пределах заданного допуска) по координатам локализации объекта следует контролировать изменения распределения амплитуды и изменения площади. Указанные изменения должны контролироваться и по отношению к подвижному объекту. Равенство площадей положительной и отрицательной составляющей независимых фрагментов сигнала межкадровой разности свидетельствует об их принадлежности определённому (из подвижных) объектов, которые находятся в зоне видеоконтроля. Формирование сигнала области локализации объекта, осуществляющего нарушение, позволяет стробировать во внутрикадровом пространстве текущего кадра сигнал соответствующего изображения, осуществить сжатие его спектра и передать полученный в результате цифровой поток по каналу связи. Таким образом, алгоритм устройства сжатия спектра телевизионного сигнала для систем видеоконтроля объектов включает следующее: 1.
Накопление архива сигналов эталонных изображений. 2. Текущее накопление архива сигналов оперативных изображений в моментах возникновения нарушений. 3. Формирование, с использованием сигналов кадров по пп.1-2 и сигнала текущего кадра, соответствующих сигналов межкадровой разности. 4. Разделение указанных по пп.З сигналов на составляющие положительной и отрицательной полярности. 5. Формирование, во внутрикадровом пространстве, сигналов области локализации межкадровых разностей составляющих положительной и отрицательной полярности с их последующей аппроксимацией последовательностью блоков. 6.
Определение, во внутрикадровом пространстве, координат центров сигналов, соответствующих областям локализации межкадровых разностей составляющих положительной и отрицательной полярности. 7. Формирование, во внутрикадровом пространстве, сигналов, соответствующих областям локализации объектов, осуществляющих нарушения. 8. Аппроксимация сигналов по пп.7 последовательностью блоков. 9. Определение, во внутрикадровом пространстве, координат центров сигналов, соответствующих областям локализации объектов, осуществляющих нарушения.
