ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 20.12.2021

Просмотров: 1089

Скачиваний: 3

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

СОДЕРЖАНИЕ

3.6. Побудова дискретної математичної моделі електронного зображення ……

Рисунок 3.4 – Структурна схема системи відеоспостереження

Для формалізації зображення об'єктів, що перебувають в полі зору відеокамери і формуються на поверхні світлочутливого елементу у вигляді плоского дискретного світлового поля, в довільний момент часу, можна представити в вигляді кінцевого набору величин освітленості елементів ПЗЗ- матриці[3]. У випадку використання монохромних відеокамер зображення представляється у вигляді функції яркісної компоненти

Y Y (x, y). (3.31)

При використанні кольорових відеокамер необхідно характеризувати значення величин трьох основних колірних складових - червоної, зеленої й синьої

R R (x, y), (3.32)

G G (x, y), (3.33)

B B (x, y). (3.34)

Розрядність АЦП, що використовується визначається загальними вимогами до точності системи, зокрема ймовірним динамічним діапазоном освітленості.

3.5 Аналогово-цифрове перетворення в оптико-електронних системах спостереження

При традиційному аналого-цифровому перетворенні відбувається квантування напруги повної шкали та вхідного спектру аж до половини частоти Найквіста (в даному випадку представляє собою еквівалентну частоту вибірки АЦП), як показано на рисунку 3.5. Вся область, обмежена червоною лінією, являє собою простір, який не заповнюється миттєво сигналом в області амплітуд (рис. 3.5а). Квантування цього порожнього простору призводить до низької енергоефективності. На рисунку 3.5б показано, як використовуються підсистеми компресії-декомпресії для того, щоб виконувати перетворення виключно сигналу, що призводить до істотного покращення енергоефективності. Подібним же чином у звичайних АЦП оцифровка сигналу по частоті також неефективна, оскільки сигнал не завжди займає весь спектр частот аж до половини частоти Найквіста, а в більшості випадків розташований в області частот. Новий підхід здатний визначити, що є порожні ділянки спектру, які не заповнюються миттєво сигналом, в результаті чого квантування спектра сигналу виконується з високою енергоефективністю.

а) звичайне квантування по амплітуді б) квантування по амплітуді з стисненням

Рисунок 3.5 – Квантування сигналу по амплітуді

Компресійний АЦП забезпечує переваги при роботі сигналами. Для цього розглянемо інтегральну функцію розподілу сигналу з розподілом Релея, показаного на рисунку 3.6. Більшу частину часу амплітуда такого сигналу підтримується на рівні, в чотири рази меншому середньої амплітуди повної шкали, щоб уникнути відсічення сигналу. Як можна бачити з графіка, більше 85% часу амплітуда такого сигналу складає менше 0,5 В, тому компресійний АЦП повинен забезпечити значні переваги.

Рисунок 3.6 – Інтегральна функція розподілу сигналу

3.6. Побудова дискретної математичної моделі електронного зображення

Віддалені малорозмірні цілі зазвичай с точковими . Визначення їхнього вектора стану відносять до завдань дальнього спостереження. У завданнях близького спостереження навіть малорозмірні цілі не можна вважати точковими. Доводиться враховувати кінцеві розміри, конфігурацію і орієнтацію цілі щодо її центру ваги. У результаті цього вектор стану протяжного об'єкта стає вже дванадцятимірним: поряд із шестивимірним вектором стану центру мас, подібним до вектора стану точкової цілі вводиться шестивимірний вектор орієнтації і обертання, що складається відповідно із двох векторів. Вектор орієнтації має три складові, що визначають кутове положення цілі щодо трьох ортогональних осей, які проходять через центр мас, а три складові вектора обертання характеризують кутові швидкості обертання цілі навколо цих осей. Проте, зазначені завдання близького спостереження є частковими і зазвичай розглядаються окремо. Для визначення шестивимірного стану точкової цілі (центру мас) вимірюють координати і їх перші похідні за часом. Система координат, в принципі, може бути довільною. У радіолокації, наприклад, зручно користуватися такими координатами, які мають найбільш простий, лінійний зв'язок з параметрами прийнятої хвилі (електромагнітного поля). Для віддалених цілей кращими координатами є дальність цілі і два кути, що визначають напрямок на неї. Системи спостереження в роки свого виникнення використовувалися в основному для військових цілей. Однак, в міру вдосконалювання подібних систем і накопления досвіду їх практичного використання виявлялися все нові і нові можливості їх застосування як у військових, так і в мирних цілях[3].

Незважаючи на велику різноманітність типів систем спостереження, можна виділити деякі загальні ознаки і на їхній основі зробити їх класифікацію. Ознаками класифікації можуть бути: призначення (керування, спостереження, дослідження і т.п.), місце установки (наземні, корабельні, літакові і т.д.), мобільність (стаціонарні, рухомі), а також розміщення апаратури в просторі (однопунктиі, багатопунктні - зі сполученими або рознесеними пунктами прийому і передачі). Однак найбільш важливими ознаками класифікації, що визначають структуру системи спостереження, є наявність джерел випромінювання і вид вимірюваних параметрів.

Розглянемо спочатку класифікацію по наявності джерел випромінювання, що використовуються для формування зондуючого сигналу. Сигнал, як носій інформації виникає в результаті певного взаємодії системи спостереження і цілі. Ступінь взаємодії і розподіл функцій між системою і ціллю при формуванні сигналу, можуть бути різними. Залежно від цього розподілу суттєво відрізняються тактичні і інформаційні можливості системи спостереження. Як система спостереження, так і ціль, можуть містити або не містити генераторів деякого інформаційного сигналу. Система або ціль, що мають такі генератори, називають активними, а якщо ні, то їх називають пасивними.


Оптико-електронні системи, до яких відносяться також тепловізійні, за основними ознаками відносяться до пасивних систем, оскільки незважаючи на те, що сигнал на вході системи представляє собою віддзеркалену суміш енергії від певного джерела, синхронізувати приймач з цим джерелом неможливо. Саме через цю особливість, ефективність оптико-електронних систем багато в чому залежить саме від умов спостереження, а не від енергетичних співідношень у вхідних сигнально-завадових сумішах.


1.3 Аналіз ефективності оптико-електронних засобів спостереження

Невід'ємною частиною систем, є підсистема збору первинної інформації про обстановку, інформація з якої є базовою в прийнятті рішень і визначенні поведінки системи в цілому. В якості таких підсистем , відповідно концепції розбудови системи іиженерно-технічного контролю, передбачено використання трьох основних типів технічних пристроїв телевізійних камер денного та нічного спостереження (чутливих в діапазоні хвиль видимого або комбінованих для видимого та інфрачервоного діапазону), тепловізорів (телевізійних засобів інфрачервоного діапазону) та радіолокаційних засобів.

В даній роботі розглядається перший тип засобів, оскільки вони з перспективними за цілим рядом показників і при цьому мають ряд недоліків, яким на сьогоднішній день приділяється мало уваги, проте за певних умов, вони є визначальними в ефективності цих засобів. Природа цих недоліків криється в фізичних принципах роботи самих оптико-електронних перетворювачів (ОЕП), що використовуються в телевізійних засобах для отримання первинної інформації про об'єкт спостереження, незалежно від того в якому діапазоні хвиль вони працюють.

Для початку слід зазначити, що в останні роки відбувається істотна зміна структури систем оптико-електронного спостереження, що пов'язано з використанням аналого-цифрового перетворення вихідного сигналу з ОЕП а не безпосередньої його обробки. Використання АЦП дозволяє значно спростити обробку сигналу, здійснити інтерфейс між камерами спостереженнями і електронно-обчислювальними засобами обробки, зберігати відеоінформацію на цифрових носіях і суттєво спростити процедуру організації архіву й пошуку необхідних записів. Крім того, впровадження АЦП відкрило широкі можливості автоматизації обробки одержуваного сигналу, істотного підвищення надійності й оперативності реагування системи[4].

Однак в існуючих системах відеоспостереження, що навіть використовують АЦП, на спостерігача покладено більшу частину зусиль і відповідальності щодо контролю над розвитком ситуації в зоні спостереження і необхідність регулювання системи з метою адаптації до змінних умов освітленості.

На сьогодні можна відзначити наступні недоліки існуючих систем оптико-електронного спостереження:


  1. вузький динамічний діапазон по освітленості, що обумовлює значні обмеження характеристик систем відеоспостереження в реальних умовах зміни освітленості;

  2. високий рівень шуму в вихідному сигналі, що призводить до високої ймовірності пропуску сигналу або хибної тривоги;

  3. низькі обчислювальні можливості самих телевізійних камер не дають змоги класифікувати об'єкти за необхідними критеріями.

З безлічі існуючих телевізійних систем, в данній роботі розглядаються тільки камери на ПЗЗ, у тому числі й з попередніми каскадами підсилення зображення па електронно-оптичних перетворювачах (ЕОП). оскільки саме вони знаходять широке застосування в системі ІТК охорони кордону. При чому, приведені в роботі розрахунки можуть бути застосовані як для стандартного телевізійного режиму (режиму безперервного накопичення), так і для імпульсного (у тому числі і однократного).

Уся метрологія у видимій області спектру заснована на діапазоні сприйняття стандартного фотометричного спостерігача, чутливість якого до світлового випромінювання функціонально залежить від довжини хвилі. Цю функцію прийнято називати «спектральною світловою ефективністю». Графічно її можна зобразити у вигляді графіку показаному на рисунку 1.1.


Рисунок 1.1 - Спектральна світлова ефективність сприйняття стандартного фотометричного спостерігача


Сучасні телевізійні камери на ПЗЗ-матрицях і ЕОП мають спектральні характеристики, що значно відрізняються від спектральної ефективності сприйняття. Їхній діапазон може розміщуватись від ультрафіолетового (120 нм для ЕОП) до інфрачервоного (1 мкм для ЕОП і ПЗЗ). Застосування даних приладів в умовах, коли на їхній вхід надходить випромінювання більш широкого спектру ніж видимий, призводило до того, що показання люксметра (який вимірює випромінювання тільки видимого діапазону) не несуть практично ніякої достовірної інформації. Для якісного пояснення таких помилок розглянемо приклад використання в нічних умовах низкорівневої телевізійної камери з каскадом підсилення зображення на ЕОП з арсенід-галієвим фотокатодом, що застосовується в сучасних цифрових камерах. На рисунку 1.2 представлені відносні спектральні характеристики випромінювання в нічну пору доби (крива 3); чутливості арсенід-галієвого фотокатоду ЕОП (крива 2); чутливості ока людини і співпадаючої з ним чутливості приладу, що вимірює освітленість - люксметра (крива 1); чутливості ПЗС-матриці ІСХ249 фірми SONY (крива 4).

З наведених графіків видно, що в умовах безмісячної ночі потужність інфрачервоного випромінювання нічного неба (B> 760нм) значно перевищує його потужність випромінювання у видимому діапазоні. Люксметр при цьому вимірює тільки видиму дуже незначну частину всього потоку випромінювання. Вона зосереджена в діапазоні 400 - 700 нм. На відміну від нього фотокатод ЕОП відчуває оптичне випромінювання в діапазоні 500-900 нм і "працює" з більшим потоком. Аналогічні висновки виходять при застосуванні в тих же умовах телевізійної ПЗС-камери, кремнієвий кристал якої гак само має гарну чутливість в інфрачервоному діапазоні до 1 мкм (крива4).


Рисунок 1.2 - Відносні спектральні характеристики: різних фотоелектронних приймачів (1, 2, 4); випромінювання безмісячного нічного неба (3)


Із усього вище викладеного можна зробити висновок, що для телевізійних систем, які володіють спектральними характеристиками, відмінними від спектральної чутливості, застосування світлотехнічних одиниць (люкс, люмен і т.п.) не зовсім коректно. Те, що багато ПЗЗ-камер рекламують для роботи при значно більш низьких освітленостях, говорить тільки про їхню гарну чутливість в інфрачервоній області.

Непрості розрахунки і теоретичні дослідження показують, що в першому наближенні можна вважати, що кількість фотоелектронів (при рівноенергетичному спектрі вихідного випромінювача) у потенційній ямі буде рости пропорційно площі під кривою спектральної чутливості ПЗЗ матриці. Оцінюючи співвідношення площ під нормованою кривою видимості зору і нормованою спектральною характеристикою чутливості телевізійної камери видно, що площа під спектральною характеристикою приблизно в чотири рази перевищує площу під кривою видимості матриці. Тобто при освітленні рівноенергетичннм джерелом і реєстрацією люксметром освітленості 2,5 люкса число фотоелектронів у потенційній ямі буде в чотири рази більше розрахункового значення.

Можна провести нескладні розрахунки для кількості фотоелектронів у потенційній ямі ПЗС матриці форматом 1/2 дюйма і кількістю активних елементів 752(Н)х528(V) зі спектральним фільтром, що нормує і без нього для різних значень освітленості на об'єкті при стандартних умовах вимірювання. Одночасно розрахуємо відношення сигнал/шум без урахування впливу зваженого фільтру і з фільтром пам'ятаючи, що додавання затухання від зважуючого фільтру доцільно при розрахунковому відношенні сигнал/шум більше 26 - 30 дб. Отримані дані зведені в табл. 1.1, при цьому в чисельнику дробів поміщено результати розрахунків для відеокамери з нормованою спектральною характеристикою, а в знаменнику - для болометричної камери.


Таблиця 1.1 - Порівняльна оцінка камери з нормованою спектральною характеристикою і болометричної камери

Освітленість, люкс

2,0

0,2

0,02

0,002

0,0002

Число фото електронів у потенційній ямі, шт.

Відношення сигнал/шум без зважуючого фільтру

Відношення сигнал/шум із зважуючим фільтром, дБ



Аналізуючи дані таблиці 1.1, можна сказати, що реальні можливості такої відеокамери обмежені значенням освітленості на об'єкті 0,15 люкс, коли відношення сигнал/шум становить приблизно 24 дБ. Це емпірично певне граничне значення зашумленості, при якому на моніторі відтворюється так зване "прийнятне зображення" і відеосигнал якого ще можна записувати. Подальше підвищення чутливості відеокамери можливе тільки при реалізації режиму накоплення фотоелектронів у ПЗЗ сенсорі протягом декількох кадрів і просторового підсумовування зарядів по фрагменту Н на V елементів (наприклад 4x4).


Зрозуміло, що при цьому просторово-часові характеристики відеокамери будуть погіршені. Насамперед, знизиться роздільна здатність камери і з'явиться нечіткість зображень рухомих об'єктів. Про це треба пам'ятати завжди, тому що в охоронних телевізійних системах саме просторово-часові характеристики відеокамери визначають можливості оператора якісно виконувати функції виявлення, розпізнавання та ідентифікації. Крім того, процес просторово-часового підсумовування зарядів у ПЗЗ сенсорі ефективний тільки при застосуванні спеціальних заходів по зниженню власних шумів сенсора, наприклад при охолодженні кристала ПЗЗ сенсора за допомогою термоелектричного холодильника на ефекті Пельтье. А це вже і дороге і технічно складне завдання.

Таким чином, враховучи такі залежності якості зображення від освітленості, особливої уваги заслуговує питання здійснення відеоспостереження в умовах природньої і штучної освітленості, що притаманно умовам функціонування засобів відеоспостереження в на відкритих ділянках кордону та в пунктах пропуску.

Для того, щоб грамотно оцінити межі нормального функціонування системи відеоспостереження, оснащеної відеореєстраторами із певними технічними характеристиками, необхідні насамперед дані про візуальну обстановку на об'єктах спостереження. До них відносяться статистичні дані про природню освітленість і метеорологічну дальність видимості (МДВ) для місцевих метеоумов.

У літературі присвяченій системам спостереження, наводяться дані про значення освітленості, не зв'язані часовими рамками, а також приводяться цифри, пов'язані з часом доби при різних погодних умовах. При цьому називаються крайні значення освітленості від лк до лк. Слід зазначити, що освітленість лк можлива в грудневі, короткі дні в зоряну ніч при несприятливих погодних умовах, коли зірки закриті щільним шаром низьких хмар. Крім того, в атмосфері повинно бути відсутнє світлорозсіювання від штучно освітлених об'єктів, міст і селищ міського типу. Освітленість лк можлива опівдні, у червневі дні при абсолютно чистому небі, при МДВ понад 5-ти 10-ти км. Багаторічна статистика свідчить про те, що такі ситуації з освітленістю зустрічаються дуже рідко і якщо вони трапляються, то на практиці необхідно застосовувати адекватні заходи. Розглянемо тепер до добові зміни освітленості в ці екстремальні дні, які показані на рисунку 1.3.


Рисунок 1.3 - Добові зміни освітленості в екстримальні дні


При використанні в телевізійній системі типової ПЗЗ камери, що має чутливість не гірше 0,5 лк і засоби адаптації до змін освітленості 105 разів, можна відзначити наступні фактори:

- система буде забезпечувати цілодобове спостереження об'єкта в літню пору в ясні місячні ночі;

- у короткі зимові дні камера забезпечує працездатність системи телеспостереження протягом 6 годин. В решті часу необхідно застосовувати підсвічування об'єкта спостереження.