автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка методов и устройств эффективного контроля интервалов изменений структуры телевизионных изображений в последовательности кадров

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПЕРЕДАЧУ ПРСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ИСХОДНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕВИДЕНИЯ.

1.1.Специфика функционирования формирователей телевизионного сигнала в системах охранного телевидения.

1.2. Характеристики передачи пространственных изменений структуры исходного изображения составляющими ТВ сигнала.

1.3. Временные характеристики преобразователей изображения.

1.4. Вопросы увеличения точности передачи пространственной и временной структуры исходных изображений в системах телевидения.

Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ЭФФЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ИНТЕРВАЛОВ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЯ В

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ КАДРОВ.

2.1.Особенности формирования сигналов управления для систем ТВ с межкадровой обработкой сигналов изображений.

2.2.Формирование информационных отсчетов во внутрикадровом пространстве для системы охранного телевидения.

2.3.Разработка алгоритма формирования сигнала изменений структуры ТВ изображений в последовательности кадров.

2.4.Система видеоконтроля объектов с двухканальной обработкой сигнала изображения.

Выводы к главе 2.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ И РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ УСТРОЙСТВА ЭФФЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ИНТЕРВАЛОВ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ КАДРОВ.

3.1. Анализ и выбор элементов устройства формирования аналогового TBC на входе АЦП.

3.2. Выбор варианта пространственной фильтрации для системы охранного телевидения.

3.3. Разработка устройства эффективного контроля интервалов изменений структуры ТВ изображений в последовательности кадров.

Выводы к главе 3.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ ЭФФЕКТИВНОГО КОНТРОЛЯ ИНТЕРВАЛОВ ИЗМЕНЕНИЙ СТРУКТУРЫ ТВ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ КАДРОВ.

4.1. Экспериментальное исследование метода внутрикадровой фильтрации и выделение отсчетов телевизионного сигнала при контроле интервалов изменений структуры ТВ изображений в последовательности кадров.

4.1.1 Моделирование действия широкополосного пространственного фильтра низких частот при различном числе этапов свертки импульсной характеристики и сигнала изображения и без подавления фоновых составляющих.

4.1.2. Моделирование действия узкополосного пространственного фильтра низких частот при различном числе этапов свертки импульсной характеристики и сигнал изображения и без подавления фоновых составляющих.

4.1.3. Моделирование действия двухканального фильтра с подавлением фоновых составляющих изображения при различном числе этапов свертки импульсной характеристики и сигнала изображения.

4.1.4. Моделирование действия субдискретизатора.

4.2. Экспериментальное исследование влияния высокочастотных составляющих на уровни смежных в пространстве отсчетов в зависимости от числа этапов свертки ИХ фильтра и сигналов изображений.

4.3. Моделирование действия элементов алгоритма процесса выделения сигнала изменений видеоинформации в последовательности кадров.

Выводы к главе 4.

Актуальность темы

Актуальной в настоящее время является задача обнаружения временных изменений в структуре телевизионного (ТВ) изображения. Решение данной задачи существенно усложняется в условиях низкой освещенности контролируемых объектов, селекции медленно-временных изменений в структуре телевизионного изображения, воздействия на рабочий ТВ сигнал помех и т.д.

При видеоконтроле в естественных (наружных) условиях существенное мешающее влияние могут оказывать мелкоструктурные изменения составляющих изображения: колебания листвы на деревьях, распределенные засветки датчиков видеосигнала, фоновые изменения средней освещенности, муаровые преобразования мелкой структуры изображений и т.д.

В то же время увеличение эффективности определения интервала изменений (нарушений) позволяет существенно улучшить функциональные характеристики устройств контроля технологических процессов, видеоконтроля (охраны) объектов и других ТВ устройств прикладного назначения. Данная тема актуальна и в связи с широким использованием методов и устройств подобного типа при реализации сжатия 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 разработка эффективного метода выделения сигналов изменений видеоинформации в последовательности кадров и разработка устройств, реализующих указанную обработку телевизионных сигналов при решении различных частных задач, возникающих при видеоконтроле.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие научно-практические задачи:

1. Проведен анализ характеристик передачи пространственных и временных изменений структуры исходного изображения составляющими телевизионного сигнала.

2. Проведен анализ специфики формирования сигналов управления для системы ТВ с межкадровой обработкой сигналов изображений.

3. Разработана методика формирования информационных отсчетов во внутрикадровом пространстве для системы охранного телевидения.

4. Разработан алгоритм формирования сигнала изменений структуры телевизионных изображений в последовательности кадров.

5. Разработан метод двухканальной обработки сигнала изображения в системах видеоконтроля объектов.

6. Проведен анализ методов низкочастотной пространственной фильтрации в системах видеоконтроля объектов.

7. Разработано устройство эффективного контроля интервалов изменений структуры ТВ изображения в последовательности кадров.

8. Проведены экспериментальные исследования элементов устройства видеоконтроля 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

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика формирования пространственных информационных отсчетов для системы охранного телевидения.

2. Разработан алгоритм формирования сигнала управления для системы видеоконтроля объектов.

3. Разработан метод двухканальной обработки сигнала изображений в системах видеоконтроля объектов.

4. Проведен анализ методов пространственной низкочастотной фильтрации в системах видеоконтроля объектов.

5. Разработано устройство эффективного контроля интервалов изменений структуры телевизионных (ТВ) изображений в последовательности кадров.

Практическая ценность

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработаны методы эффективного контроля интервалов изменений структуры телевизионных изображений в последовательности кадров. Применение разработанных методов позволит сократить объем оперативной и эталонной памяти, необходимой для запоминания ТВ сигнала в системах видеоконтроля, и обеспечить увеличение их чувствительности. Выбранный метод фильтрации осуществляет подавление фоновых изменений.

2. Разработано устройство, реализующее выделение сигнала изменений видеоинформации в последовательности кадров.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при выполнении НИР в лаборатории «Цифровой обработки ТВ сигналов» научно-исследовательской части (НИЧ) МТУ СИ.

Апробация результатов работы

Положения диссертационной работы обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава МТУ СИ в 1997-2001 гг.

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:

1. Результаты анализа характеристик передачи пространственных изменений структуры исходного изображения составляющими телевизионного сигнала (TBC).

2. Специфика формирования сигналов управления для системы ТВ с межкадровой обработкой сигналов изображения.

3. Методика формирования информационных отсчетов во внутрикадровом пространстве для системы охранного телевидения.

4. Разработанный алгоритм формирования сигнала изменений структуры телевизионных изображений в последовательности кадров.

5. Разработанный метод двухканальной обработки сигнала изображения в системах видеоконтроля объектов.

6. Результаты анализа методов низкочастотной пространственной фильтрации телевизионного сигнала в системах видеоконтроля объектов.

7. Разработанное устройство эффективного контроля интервалов изменений структуры телевизионного изображения в последовательности кадров.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 197 страницах машинописного текста. Список литературы включает 57 наименований.

Основные результаты выполненной работы заключаются в следующем:

1- Полученные результаты анализа характеристик передачи прстранственно-временных изменений структуры исходных телевизионных изображений в системах телевидении.

2- Проведен анализ специфики формирования сигналов управления для систем ТВ с междукадровой обработкой сигналов изображений. При этом были определены необходимая степень ограничения протяженности пространственного спектра и частота дискретизации исходного телевизионного сигнала.

3- Разработана методика формирования информационных отсчетов во внутрикадровом пространстве для системы охранного телевидения. Данная методика обеспечивает сокращение числа отсчетов в 4 раза по сравнению с исходным вариантом, сохраняя при этом высокое отношение, сигнал / шум дискретизации и необходимую корреляцию смежных в пространстве отсчетов.

4- Предложен алгоритм формирования сигналов изменений структуры телевизионных изображений в последовательности кадров, согласно которому сигнал изменений формируется за счет вычитания сигналов текущего и эталонного кадров. При этом в качестве эталонного сигнала используется сигнал поля и сигнал пространственной разности между четным и нечетным полями, что отражается уменьшением объема памяти, необходимой для реализация устройство видеоконтроля объектов.

5- Разработан метод двухканальной обработки сигнала изображения в системах видеоконтроля объектов. Использование данного метода отражается увеличением эффективности работы системы и

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Безруков В.Н. Разработка и применение элементов теории преобразования сигналов изображений в системах прикладного телевидения. /Диссертации на соскание степени доктора технических наук,-М.: 1996.

2. Телевидение/ Под ред.В.Е. Джаконии.-М.: Радио связь, 2000-640 с.

3. Быков Р. Е. Теоретические основы телевидения.-СПб.:издательство «ланы», 1998. -288 с.

4. Грязин Г.Н. Системы прикладного телевидения.-СПб.: Политехника,-2000. -277 с.

5. Рыфтин Я.А. Телевизионная система. Теория. М.: Сов. Радио, 1967.271 с.

6. Секен К., Темпсет М. Приборы с переносом заряда: Пер. с англ./ Под ред.В.В. Поспелова и Р. А. Суриса,- М.-Мир, 1978.-328 с.

7. Преобразователи изображения на приборах с зарядовой связью/ Р. Е. Быков, А. А. Манцветов, Н. Н. Степанов, Г. А. Эйссенгардт.- М., 1992.-184 с.

8. Пресс Ф. П. Формирователи видеосигнал на приборах с зарядовой связью. -М.: Радио и связь, 1991.- 136 с.

9. The evolution of CCD Imager. Материал фирмы Sony (Япония). Author Ian Shekton.1992.

10. Барб Д. Ф., Кэмпана С. Изображающие приборы с зарядовой связью.// Достижения в технике передачи и воспроизведения изображений/ Под ред. Б. Кейзана. М.: Мир, 1984.-180 с.

11. Приборы с зарядовой связью/ Под ред. М. Хоувза и Д. Моргана: Пер. с англ.-М.: Мир, 1984.-180 с.

12. Манцветов А. А. , Михаилов В. А. , Эйссенградт Г. А. Характеристики матричных ФППЗ в режиме суммирования зарядовыхпакетов// Техника средств связи. Сер.Техника телевидения.-1990,-Вып.2.с.26-33.

13. Шостацкий Н. Н. Применение теории дискретизации для разложения изображения на матричных ПЗС//Техника средства связи. Сер.Техника телевидения.-1982,- Вып.2.-с.З-14.

14. Манцветов А. А. , Муравьев А. Ю. , Эйссенградт Г. А. Особенности передачи малоразмерных движущихся объектов матричным ФППЗ// Изв. ЛЭТИ: Сб. Научн. Тр./ Ленинград. Электротехн. Ин-т. им. В. И. Ульянова(Ленина).-1988.-Вып. 397.-С.70-74.

15. Гоноровский И.С., Демин М. П. Радиотехнические цепи и сигналы.-м.: Радио и связь, 1994.-480 с.

16. Гольденберг Л. М., Матюшкин Б. Д., Поляк М. Н. Цифровая обработка сигналов.-М.: Радио связь, 1990.-256 с.

17. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. В 2 Кн./ пер. с англ. Под ред. Д. С. Лебедева.-М.: Мир,-1982.

18. Кривошеев М.И. Основы телевизионных измерений. М.: Связь, 1990.-608 с.

19. Кривошеев М.И. Цифровое телевидение.-М.: ВЗЭИС ,-1985.-95 с.

20. Цифровое телевидение/ под.ред. М.И.Кривошеева.-М.: Радио и связь, 1980-240 с.

21. Самойлов В. Ф., Хромой Б.П. Телевидение: учебник для вузов-М.: связь, 1975.-400 с.

22. Телевизионная техника: Справ/ под ред. Ю. Б. Зубарева и Г. Л. Глориозова М.: Радио и связь, 1994.-312с.

23. Егорова С. Д., Колесник С. В. Оптико-Электронное цифровое преобразование изображений-М.: Радио и связь, 1990-528 с.

24. Хорн Б. К. Зрение роботов / пер. с англ.-М.: Мир, 1989.-487 с.

25. Системы технического зрения: Справ./ под ред. В. И.Сырямкина , С. В. Титова.-Томск: МГП " РАСКО", 1992.-376 с.

26. Е. Янке , Ф. Эмде , Ф Леш. Специальные функции. Формулы, графики, таблицы / пер с немец.-М.: Наука, 1977.-342 с.

27. Игнатьев Н. К. Дискретизация и ее приложения.- Москва: Связь, 1980.-261с.

28. Кириллов В. И., Ткаченко А. П. Телевидение и передача изображений.-Минск: вышэйшая школа, 1988.-318с.

29. Зубарев Ю.Б., Глориозов Г. Л. Передача изображений.-М.: Радио и связь, 1989.-334 с.

30. Патчек М. Цифровое телевидение. Теория и техника/ пер. с чешек.: Под ред. Л. С. Виленчика.-М.: Радио и связь, 1990.-528 с.

31. Цуккерман И. И. , Кац Б. М. , Лебедев Д. С. и Др. Цифровое кодирование телевизионных изображений.-М.: Радио и связь, 1981.240 с.

32. Красильников Н. Н. Теория передачи и восприятия изображений.-М.: радио и связь, 1986.-267 с.

33. Батраков А. С. , Летуновский А. В. Телевизионные системы.-М.: МО СССР,1986.-376 с.

34. Быков Р. Е. , Сигалов В. М., Эйссенгардт Г. А. Телевидение.-М.: Выш. шк., 1988.-248 с.

35. Грязин Г. Н. Оптико-электронные системы для обзора прстранства.-Л.: Машиностроение, 1988.-224 с.

36. Малахов И. К. Пироэлектрический видикон// Техника кино и телевидения,- 1980.- № 10- с. 60-66.

37. Курков И. Н. , Миленин Н.К. Высокочувствительнные преобразователи свет-сигнал и камеры ЦТ// Техника кино и телевидения.- 1984. №5.-с. 59.

38. Миленин Н.К. Шумы в формирователях сигналов изображения на ПЗС// Техника кино и телевидения,- 1980. №6.-с. 51-57.

39. А С №587640 (СССР) телевизионного устройство для обнаружения движущихся объектов / Е. Г. Рябова, А. А. Юрченко. Опублик. В Б.И. 1987. №1.

40. Системы технического зрения/ под ред. А. Н. Писаревского, А. Ф. Чернявского-JL: Машиностроение, 1988.- 424 с.

41. Шайкевич Д. В. Расчет отношения сигнал/шум в телевизионных камерах на ПЗС при заданных характеристиках источника излучения// Техника средств связи. Сер.техника телевидения.-1984. -вып.4.-с.88-94.

42. Новаковский С. В., Котельников А. В. Новые системы телевидения. Цифровые методы обработки видеосигналов.- М.: Радио и связь, 1992.-88 с.

43. Смирнов А. В. Основы цифрового телевидения. -М.:« Горячая линия -Телеком », 2001.-224 с.

44. А. М. Эльбашир. Особенности формирования сигналов управления для систем ТВ с межкадровой обработкой сигналов изображений // Депонирована в ЦНТИ «Информсвязь» № 2190 св 2001 от 22.05.2001 г., с. 63-78.

45. А. М. Эльбашир. Особенности формирования сигнала межкадровых изменений в структуре телевизионных изображений. // Тез.докл.,НТК Профессорско-преподавательского,научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва, 1998г.

46. А. М. Эльбашир.ыделение сигнала межкадровых изменений при видеоконтроле объектов.//Тез.докл.,НТК Профессорско-преподавательского,научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва, 1999г.

47. А. М. Эльбашир.По давление шумов в системах видеоконтроля с межкадровыми изменением сигнала изображений. // Тез.докл.,НТК Профессорско-преподавательского,научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва, 2000г.

48. А. М. Эльбашир.Обработка сигнала межкадровых изменений в системах видеоконтроля объектов.//Тез.докл.,НТК Профессорско-преподавательского,научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва, 2001г.

49. А. М. Эльбашир.Устройство выделения сигнала межкадровой разности для систем видеоконтроля объектов.//Тез. докл.,НТК Профессорско-преподавательского,научного и инженерно-технического состава МТУСИ. Москва, 2001г.

50. Безруков В.Н., Ахмед Джараши С.М. А. М. Эльбашир. Линейные и нелинейные пространственно-временные преобразования сигнала изображений в охранных системах телевизионного контроля объектов.