автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы и устройства формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля удаленных объектов

На правах рукописи

003470428

Басекеев Адилбек Алимжанович

МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ФОРМИРОВАНИЯ

ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ УДАЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.12.04 - радиотехника, в том числе системы

и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 м:г: 2003

Москва 2009

003470428

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском техническом университете связи и информатики (ГОУ ВПО МТУСИ) на кафедре телевидения.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Безруков Вадим Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, Локшин Марк Германович

кандидат технических наук, Беляев Виталий Сергеевич

Ведущая организация:

ФГУП Росс. НИИ КП

Зашита диссертации состоится "4"июня 2009 г. в 15.00 ч. на заседании concia но защите докторских и кандидатских диссертаций Д 219.001.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики (111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, д. 8-а, ГОУ ВПО МТУСИ, ауд. A-45S. зал Ученого совета, тел.957-77-94),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский технический университет связи и информатики.

Автореферат разослан "¿-Q" 0 е/_2009 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций

кандидат технических наук, доцент анюшкин Р.К).

Д 219.001.01,

Общая характеристика работы

Актуальность темы. На современном этапе необходимо осуществить переход к телевизионным (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 изменеиий но 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 типовых систем 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 автоматизированного видеоконтроля удалённых объектов с неортогональным позиционированием ТВ камеры но отношению к подстилающей поверхности. Это в основном определяется возникновением сопутствующих такому варианту искажений масштаба 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 н искажений ТВ сигналов в оптическом и электрическом тракте подобных систем.

Именно такой подход использовался в представленной диссертационной работе. Полученные при этом результаты теоретических и экспериментальных исследований специфики искажений обеспечили основу для разработки эффективных методов и устройств формирования необходимых информационных сигналов и данных, представленных в диссертации.

Цель и задачи работы. 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 ограниченного ансамбля соответствующих формализованных параметров (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 параметров видеоинформации и разработан дискретно-периодический алгоритм масштабных преобразований изображений при наземном ТВ контроле,

3. Разработана методика оценки искажений оптического отображения объектов в датчиках ТВ сигнала для случая неортогоналыюго видеоконтроля.

4. Исследованы характеристики дискретизации сигналов изображений в матричных преобразователях "свет-сигнал" на приборе с зарядовой связью (ПЗС).

5. Проведён анализ специфики преобразований функции пространства видеоконтроля в зависимости от высоты установки, угла наклона ТВ камеры и угла поля зрения еб оптической системы.

6. Разработаны основы параметрической оценки и метод сжатия спектра видеоинформационных сигналов для ТВ контроля удалённых объектов.

7. Разработан метод и алгоритм реализации удалённого видеоконтроля с дискретно ступенчатым прослеживанием объектов.

8. Разработаны устройства формирования сигналов, сигнализации и сжатая 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.

1. 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».

2. Конкретизированы особенности относительных масштабных 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.

4. Разработана методика анализа пространственно-частотных характеристик дискретизации сигналов изображений « твердотельных, митричнот типа, преобразователях "свет-сигиал".

5. Показана целесообразность уменьшения степени высокочастотной коррекции амплитудно-частотной характеристики видеотракта в системах цифрового телевидения.

6. Выявлена необходимость адаптивного изменения таблицы квантования коэффициентов дискретного косинусного преобразования (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 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.

3. 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.

4. Проведены экспериментальные исследования масштабно-i ipocrpaiictbci ш их 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. С.И. Катаева МТУС'И. при выполнении НИР о лаборатории "Цифровая обработка телевизионных сигналов" (НИЛ-11) НИЧ МТУСИ и внедрены ООО «Интерхим» при проектировании и разработке оборудования для систем контроля удаленного доступа.

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 ка научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, МТУСИ, Москва, 2004-2006 г,г.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в научных работах и представлены в отчетах по НИР проведенных в НИЛ-11 НИЧ МТУСИ.

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 наименования.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанный адаптивный вариант построения системы контроля удалённых объектов с комплексной оценкой их состояния.

2. Результаты исследования и масштабно-пространственных преобразований видеоинформации в системах ТВ контроля объектов и разработанная методика оценки искажений оптического отображения объектов в датчиках ТВ сигнала.

3. Разработанный дискретно-периодический алгоритм масштабных преобразований видеоинформации в системах наземного ТВ контроля.

4. 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.

7

6. Разработанные принципы параметрической оценки и метод сжатия спектра сигналов изображений для систем неортогонального ТВ контроля.

7. Разработанный метод и алгоритм реализации удалённого видеоконтроля с дискретно-ступенчатым прослеживанием объектов.

8. Разработанные устройства формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов, результаты экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ.

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. Особенностями предложенной в первом разделе данной главы структурной схемы комплекса контроля является наличие обратных связей, позволяющих осуществить адаптационную перестройку его режима функционирования, и взаимодополняющий по отношению телевизионному контроль основных характеристик состояния объекта.

В структуру общего комплекса контроля состояния объекта входят (кроме телевизионной системы) и параллельно действующие системы на иных извещателях, обеспечивающие взаимодополняющий контроль электромагнитного излучения от контролируемого пространства за пределами видимого для ТВ датчиков диапазона частот, т.е. по другим направлениям многомерного пространства.

Соответствующие информационные сигналы и данные поступают на блоки независимой обработки и контроля, затем на блоки интегрально-логической оценки состояния в контролируемом пространстве и передачи (приема) сигналов архивирования, управления и данных. Через канал связи сформированные сигналы

и данные поступают (в пакетированном виде) на опорный пункт, где осуществляют архивирование информационных сигналов и сигналов, отражающих текущую ситуацию в пространстве контроля, формирование сигналов управления. Последние по обратному каналу связи и через блок интегрально-логической оценки состояния в контролируемом пространстве передают на блок тест-контроля и управления, на который поступают также сигналы от датчиков сигнализации, контроля и оценки состояния, Сигналами с выходов блока тест-контроля и управления осуществляются адаптационные перестройки режима функционирования всего комплекса контроля, отдельных элементов, датчиков и исполнительных устройств.

Масштабно-пространственные преобразования параметров внутрикадровой структуры сигналов изображений в зависимости от условий проецирования соответствующей видеоинформации на СВП преобразователя "свет-сигнал" рассмотрены во втором и третьем разделах первой главы. При этом одним из наиболее универсальных вариантов оценки пространственных размеров контролируемых объектов является контроль соответствующего угла поля зрения в видеоинформационном пространстве с фиксацией расстояния между объектом и камерой, Однако использование такой оценки обусловливает возникновение ошибок. Причём фактическая ошибка & оценки размера объекта углом проецирования <pd в данном случае зависит от расстояния (Z) 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 структурных составляющих объекта должно выбираться своё номинальное значение угла оценки размера объекте <р„ по отношению к предельному его значению ф,,,,

(Ч>и<Ч>ир). Использование функции производной () = ^"^Л =—!--1)

<% cos- </>,,

позволило разработать методику оценки величины <р„ для практически любого заданного значения ошибки в масштабе при проецировании.

Проведённый анализ показал, что масштабные искажения видеоинформационной структуры объеета при ортогональном проецировании в плоскость СВП датчика ТВ сигнала могут не учитываться лишь в том случае, когда его максимальный угловой размер по любому из направлений в пространстве видеоконтроля не превышает 10... 12 градусов.

В содержании использовано понятие относительного масштаба оптического отображения объектов в пространство СВП датчика ТВ сигнала при видеоконтроле:

т. у

~ I с1я(в-&в)-Щ(0 + &0) ' где Л - высота установки ТВ камеры, £0 - линейный размер объекта, спроецированного в центр внутрикадрового пространства, £ - линейный размер объекта, спроецированного в его периферийную часть, в0 - угол проецирования объектов в центр внутрикадрового пространства, в ~ угол проецирования объектов в периферийную часть, 2Д0,2А60 - угловой размер спроецированного объекта, На рис. 1 представлены результаты расчёта функции изменения относительного масштаба контролируемых объектов (выполнены с использованием соотношения (1)) в зависимости от угла оптического

проецирования в для варианта Д£> = Л<9„ 0(1 = -—.

Рисунок 1. График функции изменения относительного размера объекта.

На рис. 2. иллюстрируются преобразования при ТВ контроле пространственной структуры объектов, имеющих одинаковые угловые размеры в пределах СВП ТВ камеры. Здесь О - местоположение оптической системы, обеспечивающей проецирование в плоскость СВП; ПОК и ПНК - плоскости ортогонального и наземного контроля, 1, 2 - варианты плоскостей распределения объектов в контролируемом пространстве, 00 - оптическая ось ТВ камеры. В пределы участков СВП, имеющих эквивалентные угловые размеры, в данном случае проецируют поверхности 1, 2, ПОК и ПНК, В соответствии с рис.1, при проецировании в пространство СВП объекта, позиционированного в ПОК, относительные масштабные искажения имеют минимальную величину. По отношению же к вариантам 1,2, ПОК в пределах ПНК имеет место общее падеиие относительного масштаба изображений объектов. Относительные масштабные искажения имеют обратный характер динамики масштаба в диапазоне дискретных изменений угла проецирования в пределах поверхностей 1 и ПНК. При этом участок минимальной крутизны изменения относительного масштаба контролируемых объектов простирается в диапазоне углов наклона (по отношению к ортогональному проецированию на СВП) ТВ камеры от ф()=0 до Фо=50°, что определяет целесообразность использования в реальных системах ТВ камер с углами наклона в диапазоне (ро>50\

Рисунок 2. Преобразование пространственной структуры объектов при видеоконтроле увеличения числа используемых ТВ камер.

Одним из важных параметров сигнала изображения является контрастнос ть отображения на СВП объекта по отношению к отображению подстилающего

2

пнк

фона. Чувствительность ТВ камеры на ПЗС снижается в области коротких дайн волн, Следовательно, контрастность объектов соответствующей окраски на тёмном фоне может падать. При правильном выборе спектрального состава фоновой подсветки с учётом характеристики чувствительности датчика ТВ сигнала и превалирующей окраски контролируемых объектов имеет место общее увеличение эффективности видеоконтроля. Современные ТВ камеры оснащены системой автоматического регулирования режима работы в зависимости от средней освещенности в области видеоконтроля. Относительные масштабные преобразования видеоинформации при отображении на СВП приводят к нелинейному её перераспределению в сигнале изображений, В структуре сигнала возрастает весовая доля составляющих, соответствующих объектам, локализованным в ближней, по отношению к ТВ камере, зоне ИНК и проецированным во внутрикадровое пространство с сопутствующим увеличением относительного масштаба. Соответственно имеет место автоматическая оптимизация режима преобразователя "свет-сигнал" по ближним составляющим общего сигнала изображения и сопутствующее падение контрастности ТВ изображений объектов, расположенных на периферии (по отношению к местоположению ТВ камеры) области ПНК, возникающее из-за несоответствия режима преобразователя "свет-сигнал" уровню их средней освещенности.

Дополнительное падение контрастности объектов на периферии ПНК определяется ограничением светового потока эквивалентной диафрагмой объектива ТВ камеры. При этом степень ограничения тем больше, чем больше отклонение от варианта ортогонального проецирования.

Номинальное значение угла неортогонального проецирования отдельного объекта в пределах <~5 градусов, исключающее возникновение в пределах его протяжённости существенных масштабных искажений, было вычислено (в разделе 1.3) с использованием разработанной (в разделе 1.2) методики.

Одним из параметров, определяющих специфику проецирования пространственной структуры объекта, является среднее расстояние его позиционирования в пространстве видеоконтроля по отношению к центру СВП. Это расстояние определяет относительный размер (масштаб) изображения данного объекта во внутрикадровом пространстве. При этом каждая точка обращенной к

ТВ камере пространственной структуры контролируемого объекта виртуально проецируется в контролируемом пространстве в плоскость, параллельную СВП ТВ камеры и размещённую на указанном от неё расстоянии. Результат проецирования отображается во внутрикадровое пространство с учётом фиксированных преобразований масштаба в оптической системе ТВ камеры. Соответственно от величины упомянутого расстояния зависит контрастность объекта по отношению к фону и протяжённость соответствующего его изображению пространственного спектра.

С учётом всего этого был 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. По ортогональному направлению контролируемое пространство также разделяется дискретной совокупностью четырёхугольных пирамид, имеющих величину углов по диагональным направлениям <~2 градусов. В результате всё контролируемое пространство представляется дискретной совокупностью приблизительно прямоугольных участков. Для каждого из них вычисляется значение коэффициента относительных масштабных преобразований при оптическом отображении в пределы СВП ТВ камеры. Учёт расстояний между СВП и каждым из участков позволяет оценивать реальные масштабные соотношения в пространственной структуре контролируемых объектов и всего пространства в целом. Соответственно упрощается идентификация составляющих структуры ТВ изображений.

Во второй главе «Специфика функционирования, основные параметры и характеристики элементов оборудования систем охраны удалённых объектов» рассмотрены 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 матриц 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 но чувствительности того уровня, который обеспечивается при использовании матриц на ПЗС. Наличие относительно интенсивной шумовой составляющей и ложных сигналов существенно ограничивает пороговую чувствительность фотодиодных телевизионных камер.

Пороговую чувствительность снижает также мешающее тепловое излучение от транзисторов, используемых в структуре активных пикселов фотодиодных матриц. С увеличением же числа транзисторов, осуществляющих обработку сигнала изображений в ТВ камерах на фотодиодных матрицах, возрастают требования к их энергопотреблению и распределению энергии по спектру излучения.

Во втором разделе диссертации проведен анализ пространственно-частотных характеристик распределения светочувствительных элементов в пределах растра матрицы ПЗС. При этом относительные характеристики спектров идеализированной структуры распределения светочувствительных элементов н отдельного из них представлены в виде отношений:

(2)

Ду(®,.®>) в-Р-О* («>„«),) £>Л.(0,0) х0-уа

Здесь х0, у0 - период следования светочувствительных элементов, а коэффициенты а н /3 определяют отношение между размером светочувствительного элемента и периодом их следования. Относительная характеристика пространственного спектра распределения светочувствительных

элементов в пределах растра матрицы ПЗС (Д.(да,,®,)) отражается произведением указанных соотношениями (2) относительных характеристик:

<2 пх +1)

Dr(¿tíx. 0у) -

I

768-576

(2«v + I) s¡„-—

«у'-П)

sin« + \)cOxXq)

(2/iy +1)

-<Vo

(2пх +1)

V^O

Л0

"у-Уо

(3)

sinífflj • Xq) s¡n{(»y +1 )-Юу -у0)

2

2« "Н/

sm ■ íq sin a)y ■ уд

2a 2p

На рис.3 представлена характеристика спектра функции светочувствительного элемента и её сечения в горизонтальном, вертикальном и под углом % =45° в пространстве растра. Для варианта а = /3 = 2 на рис.4 а)-б) представлена двумерная характеристика Д (&>,,<«,,) и вариант её сечения под углом в пространстве растра % = О*.

а) б) в)

Рисунок 3. Пространственный спектр функции светочувствительного элемента (а) и его сечения: горизонтальное и вертикальное (б), под углом % =45° по растру (в).

/

а) б)

Рисунок 4. Относительная характеристика пространственного спектра распределения светочувствительных элементов в пределах растра матрицы ПЗС(а) и ее сечение при <р„ = 0' (б).

Можно заметить, что здесь остаётся значительной величина второго лепестка спектра. С величиной второго и более далёких лепестков спектра сопряжено пересечение спектров дискретизированной видеоинформации, локализованных в области смежных лепестков. При недостаточной степени подавления высокочастотных составляющих пространственного спектра видеоинформации до дискретизации указанные пересечения приводят в реальных ТВ камерах к возникновению искажений элементов пространственной структуры изображений (вплоть до искажений структуры фона).

В содержании второй главы 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. Это связано с различной степенью деформации изображений выбросов в независимых смежных блоках и соответствующим (специфике локальной части общего изображения выброса в данном блоке) усечением высокочастотных составляющих. Следовательно, наличие выбросов провоцирует появление

блочного типа искажений в пределах элементов структуры ТВ изображений, имеющих относительно резкие границы в горизонтальном направлении внутрикадрового пространства. С учётом этого в цифровых системах со сжатием спектра необходимо понижать степень высокочастотной (ВЧ) коррекции АЧХ ТВ тракта, Уровень первого выброса, обусловленного ей использованием, не должен на перепадах пространственной структуры ТВ изображений превышать а 0,03 + 0,04 от величины перепада. Это позволяет пренебречь искажениями от второго выброса и обеспечить существенное снижение заметности блочного эффекта на перепадах относительно большой протяжённости. 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: высоты h, угла поля зрения у/ и угла наклона камеры в. Расчётные оценки указанных изменений были осуществлены с использованием полученного уравнения

х2 +((y-h)-cos0-z-sin0)2 ~tg2 --((У-h)-sm0 + г-сопв)2 =0. (4)

2

Изменения функции F(x,z) пространства неортогонального видеоконтроля

на подстилающей поверхности оценивались уравнением (4) при фиксации у as const - 0.

Показано, что наземный контроль высоко установленной ТВ камерой связан с возникновением относительных масштабных (нелинейных) преобразований при проецировании области видеоконтроля на СВП. В первую очередь такие преобразования приводят к изменениям параметров исходной пространственной структуры изображения и многомерного спектра каждого независимого объекта, совокупность которых определяет пространственный спектр всею контролируемого ТВ изображения. При разработке систем ТВ контроля важно определить влияние преобразований на параметры и характеристики объектов.

определяющие эффективность идентификации последних. Соответственно специфику преобразований масштаба следует учитывать при разработке систем ТВ контроля и алгоритмов функционирования отдельных элементов, осуществляющих обработку и передачу соответствующих информационных сигналов.

В условиях, когда высота объектов {Иы), позиционируемых на подстилающей поверхности, значительно уступает высоте (А) установки ТВ камеры (Л »/¡ц), реальные изменения масштаба определяются их координатами в пределах зоны видеоконтроля по оси 2. Это обусловливает необходимость соответствующего (адаптивного) изменения характеристик сжатия (например, таблицы квантования коэффициентов ДКП) при реализации неортогоналыюго видеоконтроля в зависимости от координаты по оси г в соответствующих фрагментах (блоках) изображения. Указанными изменениями достигается уменьшение степени подавления высокочастотных пространственных составляющих в пределах блока, которое пропорционально степени смещения координаты центра блока на оси г от ближайшей к ТВ камере граничной точки к наиболее удалённой, т.е. с уменьшением относительного масштаба проекции самого объекта на СВП ТВ камеры.

Разработке принципов параметрической оценки и метода сжатия спектра сигналов изображений для систем неортогонального ТВ контроля удалённых объектов «освящено содержание второго раздела третьей главы данной работы. Здесь обосновано использование параллельного деления внутрикадровой структуры изображения на две независимые структуры распределения блоков, отличающиеся относительным смещением координат центров соответствующих блоков под углом в 45° на 1/2 их протяжённости по указанному направлению. Такой вариант позволяет существенно увеличить точность оценки координатного позиционирования межкадровых изменений видеоинформации во внутрикадровом пространстве. На основе логического сопоставления изменений сигналов в эталонном, предшествующем и текущем кадрах в блоках (совпадающих и смежных) этих структур, следует осуществлять определение в данном случае указанных координат, При этом на передающей стороне решается задача селекции ТВ сигналов движущихся объектов и их параметрической оценки. В

содержании второго раздела предложен алгоритм её решения и определены оцениваемые параметры. В их число входят исходные координаты, момент обнаружения нарушений, относительные изменения амплитуды сигнала изображения, площади локализации объекта, момент прекращения общего возрастания площади и др. Должна также осуществляться периодическая фиксация отсчётов функций изменения координат, площади и амплитуды сигналов каждого из независимых объектов, осуществляющих нарушение. 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 внутрикадровой структуры изображений, отражающие санкционированные изменения опорной видеоинформации.

Пространственная чёткость является важнейшим параметром, определяющим эффективность идентификации подвижных объектов в зоне видеоконтроля, Поэтому в диссертационной работе исследована специфика изменения пространственной чёткости движущихся объектов. В результате показано, что сквозной коэффициент передачи (А"01 (сох,Ыу)) процесса

оптического проецирования с учётом времени накопления (7^) в течение кадра

определяется в данном случае соотношением:

т т

йп(ахУх -- + шуУу Кок{тх.ау)шТк .К05{шх,а>у)---2--—(5)

Здесь У,,У1, - составляющие скорости движения объекта, -

коэффициент передачи оптической системы. Соотношение (5) показывает существенное влияние на чёткость ТВ изображения объекта скорости его перемещения в пределах внутрикадрового пространства. Чем медленнее движется объект, тем в меньшей степени по направлению его движения подавляется во внутрикадровом пространстве высокочастотная структура его пространственного

спектра. Согласно (5) именно в ортогональном направлении, по отношению к направлению движения, минимизируется подавление высокочастотной части пространственного спектра движущегося объекта. Соответственно направление минимального градиента границ обычно совпадает с направлением движения объекта. В структуре спектра подвижного объекта, как показал проведённый анализ, при фиксированной скорости возможно также возникновение максимумов в области верхних пространственных частот. С увеличением относительной скорости движения максимум смещается в область более низких пространственных частот и падает коэффициент передачи в области высоких пространственных частот.

Учёт полученных теоретическим путём результатов позволил разработать и метод сжатия видеоинформации. Предложено, в частности, использовать два вида ТВ камер: общего (интегрального или обзорного) видеоконтроля и пространственно-селективного видеконтроля с прослеживанием движения объекта. Сигнал изображений (опорная видеоинформация) от ТВ камер общего видеоконтроля предварительно передают по относительно узкополосному каналу связи и используют для формирования сигналов управления камерами селективного видеоконтроля. Применение прослеживания увеличивает (за счёт снижения относительной скорости движения проекции объекта в пределах растра) пространственную четкость контролируемых ТВ изображений в зоне нарушения. Управление углом поля зрения ТВ камеры позволяет фиксировать при выполнении видеоконтроля во внутрикадровом пространстве и масштаб изображения объекта, что упрощает реализацию сжатия. С другой стороны прослеживание снижает протяжённость временного спектра, соответствующего движущемуся в пределах контролируемого пространства объекту. Это позволяет снизить частоту выборки отсчётов по кадровому направлению и, следовательно, увеличить степень сжатия спектра видеоинформации.

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.

При этом показано, что достаточно высокую эффективность (но характеристикам частотной селекции составляющих) обеспечивает устройство нелинейного подавления шумов и преобразования ТВ сигнала в цифровую форму, разработанное на основе использования многократной гребенчатой фильтрации с суммированием (и вычитанием) задержанного и исходного сигналов. С учётом результатов анализа спектральных характеристик распределения шума предложено осуществлять разделение спектра исходного ТВ сигнала на три составляющие: низкочастотную (от 50 Гц до 1,5 МГц), среднечастотную (от 1.5 мГц до 4,0 МГц) и высокочастотную (от 4,0 МГц до 6,5 МГц), Реализованная в разработанной схеме раздельная пороговая обработка средиечастотной и высокочастотной составляющих определяет по отношению к известным вариантам увеличение эффективности подавления шумов при снижении нелинейных искажений высокочастотной структуры, соответствующей малоконтрастным деталям общего сигнала изображений. В дополнение к этому в разработанном устройстве уменьшение нелинейных искажений среднечастотной и высокочастотной составляющих достигается использованием, после пороговой обработки, интегрирования и низкочастотной фильтрации. В результате возрастает качество передачи тонкой внутрикадровой структуры изображений. Применение разработанного метода и устройства шумоподавления в цифровых системах видеоконтроля объектов позволяет уменьшить негативное влияние шумов при аналого-цифровом преобразовании и при сжатии спектра сигналов изображений на уровень внесённых искажений изображений и, следовательно, увеличить достижимую степень последующего сжатия их спектра.

Во втором разделе четвёртой главы осуществлена разработка устройства сжатия спектра ТВ сигнала для систем видеоконтроля объектов. С использованием отсчётов (оперативных и эталонных), а также вариаций временем задержки по отношению к текущему кадру при формировании сигналов межкадровых разностей в разработанном устройстве обеспечивается выделение сигналов изображений подвижных объектов, реализующих нарушение в зоне видеоконтроля. С учётом их текущего перемещения предсказывают сигнал

изображения и координаты последующей фазы объекта. В разработанном устройстве соответственно обеспечивается передача блоков и отдельных отсчётов внутрикадрового пространства, отражающих превышение порога сигналом разности предсказанного и текущего изображений подвижного объекта, реализующего нарушение. В данном разделе приведён разработанный алгоритм сжатия, структурная схема устройства, соответствующая указанному алгоритму сжатия, и рассмотрена специфика функционирования указанного устройства. На рис. 5 приведены результаты программного моделирования выделения сигнала изображения подвижного объекта в соответствии с предложенным алгоритмом.

А""'

«Гг

а)

' (р* ^ * Щ

фщ 1 у" ж

• 'У 1 5 «

ч «Щ'' • * '" Л, \ •* »-'•• £ \ * &

б)

Рисунок 5. Результаты программного моделирования устройства сжатия спектра ТВ сигнала для систем видеоконтроля объектов:

а) изображение разностного сигнала:

б) результат пороговой обработки разностного сигнала;

в) исходное изображение с выделенным на нем объектом.

в)

Во втором разделе четвертой главы осуществлена разработка устройства сжатия спектра ТВ сигнала для систем видеоконтроля объектов. С использованием отсчётов (оперативных и эталонных), а также вариаций временем задержки по отношению к текущему кадру при формировании сигналов межкадровых разностей в разработанном устройстве обеспечивается выделение сигналов изображений подвижных объектов, реализующих нарушение в зоне видеоконтроля. С учётом их текущего перемещения предсказывают сигнал изображения и координаты последующей фазы объекта. В разработанном устройстве соответственно обеспечивается передача блоков и отдельных отсчётов внутрикадрового пространства, отражающих превышение порога сигналом разности предсказанного и текущего изображений подвижного объекта, реализующего нарушение. В данном разделе приведён разработанный алгоритм сжатия, структурная схема устройства, соответствующая указанному алгоритму сжатия, и рассмотрена специфика функционирования указанного устройства.

При разработке устройства неортогонального ТВ контроля объектов (раздел 3 главы 4) обосновано параллельное использование ТВ камер (датчиков ТВ сигнала - ДТВС) статического и динамического контроля объектов. При этом ДТВС динамического контроля должны иметь относительно малый угол поля зрения, что позволяет в условиях прослеживания обеспечивать видеоконтроль подвижных объектов с относительным увеличением масштаба соответствующего изображения. Одновременно с этим реализуется растровое стробирование полезной ТВ информации. Соответственно снижается избыточность пространственной структуры анализируемого изображения и возрастает эффективность сжатия его спектра. Обзорные ДТВС в таком случае используются для обнаружения нарушений, формирования сигналов координат, тревожной сигнализации и данных. Дифференциальная обработка исходного сигнала изображений в пространстве кадров и во времени позволяет подавить влияние низкочастотных (пространственно-временных) составляющих на сигналы управления и параметры, которые формируются по результатам анализа изменений в структуре видеоииформационного сигнала. Селекция указанных изменений должна осуществляться в реальных системах с предварительным

определением и ограничением их возможного диапазона и по высокочастотной области.

Структурная схема для неортогонального видеоконтроля объектов представлена на рис.6. Здесь 1БДТК - блок динамического ТВ контроля, 2БДАК -блок динамического акустического контроля, ЗБСТК - блок статического ТВ контроля, 4ГСС - генератор сигналов синхронизации, 5БАЦП - блок аналого-цифрового преобразования, бФССиУ - формирователь, 7БСИС — блок селекции информационных составляющих, 8БПИС - блок преобразования информационных составляющих, 9БОП - блок оценки параметров, 10БК и П - блок кодирования и передачи, ПБДиА - блок декодирования и архивирования, КС - канал связи, ССиУ—сигналы синхронизации и управления,

ССиУ ССиУ ССиУ

Рисунок 6. Устройство для неортогонального телевизионного контроля объектов,

В блоках БДТК, БДАК, БСТК формируются исходные акустические и ТВ информационные сигналы. При этом статические ТВ камеры БСТК (имеют фиксированную оптическую ось при реализации видеоконтроля) являются в основном широкоугольными. В БДТК ТВ камеры (функционируют в режиме слежения за подвижным объектом) являются в основном узкоугольными. Исходный угол поля зрения оптической системы ТВ камеры определяется в

данном случае максимально возможным размером контролируемых независимых объектов. Аналогичным образом узкоугольными являются микрофоны БДАК, которые функционируют в режиме слежения за подвижными объектами, осуществляющими нарушения.

Экспериментальное исследование изменений масштаба при ТВ неортогональном контроле объектов, а также контраста на экране в зависимости от их удаления от ТВ камеры, реализовано с использованием конкретной системы, разработанной лабораторией НИЛ-И НИЧ 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 обеспечивает согласование со спектральной характеристикой телевизионных камер на ПЗС и общее увеличение уровня выходного телевизионного сигнала.

Схема размещения пространственных испытательных сигналов прямоугольной формы (белых маркеров) показана на рис.7.

Рисунок 7. Схема размещения ДТВС и маркеров при проведении эксперимента.

При выполнении эксперимента использовались белые маркеры, обеспечивающие относительно равномерное отражение вне зависимости от длины волны составляющих падающего света. Размер маркера выбирался с учётом следующих требований:

1. Площадь маркера « эффективной площади контроля, соответствующей полю зрения конкретной ТВ камеры.

2. Горизонтальный размер маркера в ближней зоне пространства видеоконтроля >0,05 эффективного горизонтального размера поля зрения конкретной ТВ камеры,

3. Сигнал ТВ изображения маркера соответствовует функции параллепипеда / (х, у) = гес( х ■ гес1 у.

Соответственно при проведении эксперимента не учитывалось воздействие масштабных искажений на сам маркер. Выбранный размер маркера практически исключал влияние на сигнал маркера апертурных искажений. Использование функции параллепипеда позволило упростить проведение исследований, конкретизирующих специфику изменения спектра маркера в зависимости от изменений угла проецирования. Сигнал с ДТВС подавался на ВКУ и осциллограф типа С ¡-81 ОЭ. При этом осциллограф работал в режиме высокого входного сопротивления, а на ВКУ была включена нагрузка 75 Ом. Использованное испытательное изображение представлено на рис.6., фотография которого получена с экрана ВКУ.

Рисунок 8. Испытательное телевизионное изображение.

С помощью осциллографа сканировался диапазон значений строк одного из полей и фиксировался номер строки, соответствующий середине каждого маркера. С использованием таких строк была измерены зависимости изменения масштаба (разности числа строк между соседними маркерами) от расстояния до ДТВС и

размах видеосигнала относительно уровня яркости фона. На рис.7, показаны контролируемые осциллограммы ТВ сигнала выделенных строк.

а) б)

Рисунок 9. Контролируемые осциллограммы телевизионного сигнала выделенных 228 (а) и 106 (б) строк.

При проведении эксперимента был использован ДТВС с широкоугольной (угол поля зрения 1/>> 60°) оптической системой. Для такого случая характерно существенное падение уровня сигнала (а 20%) на краях внутрикадрового пространства по отношению к его центру. Выявилось 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 с подстилающей поверхностью, но и существенное снижение крутизны его падения с уменьшением угла проецирования маркеров на светочувствительную поверхность ДТВС и соответственно с удалением их местоположения от указанной точки пересечения. Проведённый эксперимент, кроме того, показал существенное, ассиметричного типа, снижение четкости телевизионных изображений с удалением положения маркера от точки её пересечения с подстилающей поверхностью. При этом градиент снижения чёткости ТВ изображений маркеров наиболее существенно возрастает в ближайшей к ДТВС области. В табл. 1 представлены результаты, отражающие экспериментальную оценку функции («($»)) изменения масштаба маркера в зависимости от угла проецирования.

Таблица 4.1

|(М) 6,55 8,6 9,1 11,65 14,7 17,75 20,8 23,85 26,9 29,95 33

ф, гра 20,89 16,2 15,36 12,11 9,65 8,02 6,85 5,98 5,3 4,77 4,33

т(<|>) 1,82 1,057 1 0,629 0,4 0,31 0,23 0,171 0,142 0,128 0,114

Полученные результаты соответствуют теоретическим результатам. Некоторое несоответствие расчетных и реальных изменений масштаба связано с неточностью оценки общего угла поля зрения использованной при проведении эксперимента ТВ камеры.

Список публикаций

1. Басекеев A.A. Особенности телевизионного контроля удалённых объектов // НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тезисы докладов. - М: МТУ СИ, 2004 г.

2. Басекеев A.A., Шустров Ю.А. Современные системы телевизионного контроля объектов // НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тезисы докладов. - М: МТУ СИ, 2004 г.

3. Игнатов Ф.М., Басекеев A.A., Шустров Ю.А. Особенности современных видеокамер охранного телевидения // 13-ая Межрегиональная конференция «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания». - М: МТУСИ. 2004 г.

4. Власюк И.В., Басекеев A.A. Преобразование параметров и характеристик структуры изображений в системах видеоконтроля // НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тезисы докладов. - М: МТУСИ, 2005 г.

5. Басекеев A.A. Системы автоматического регулирования в камерах охранного телевидения // НТК профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава: Тезисы докладов, - М: МТУСИ, 2006 г,

6. Безруков В.Н., Власюк И,В., Басекеев A.A. Специфика оценки пространственных характеристик сигналов изображений в системах телевизионного контроля объектов // Метрология и измерительная техника в связи. - 2006 г. - Ks 2. - С. 42-48.

7. Безруков В.Н., Басекеев A.A., Икрамов К,С. Неортогональный телевизионный контроль видеоинформационного пространства // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2008 г. - №1. - С. 48-52.

8. Балобанов A.B., Власюк И.В., Басекеев A.A. Анализ пространственно-частотных характеристик распределения светочувствительных элементов в пределах растра матрицы ПЗС // Метрология и измерительная техника в связи. - 2006 г. - № 3.

Подписано в печать 30.03.09. Формат 60x84/16. Объем 1,8 усл.п.л,

_Тираж 100 экз. Заказ 69._

ООО «Инсвязьиздат». Москва, ул. Авиамоторная, 8.

Введение.

Глава 1. Специфика характеристики и параметры информационных сигналов систем наземного видеоконтроля удалённых объектов.

1.1. Системы телевизионного контроля удалённых объектов.

1.2.Масштабно-пространственные преобразования видеоинформации в системах телевизионного контроля удалённых объектов.

1.3. Относительный контроль параметров удалённых объектов на выходе телевизионной камеры.

1.4. Разработка дискретно- периодического алгоритма преобразования видеоинформации в системах наземного телевизионного контроля.

1.4.1. Высокочастотные пространственные искажения видеоинформации в датчиках телевизионного сигнала.

1.5. Выводы.

Глава 2. Специфика функционирования, основные параметры и характеристики элементов оборудования систем охраны удалённых объектов.

2.1. Твердотельных датчики сигнала телевизионных изображений

2.2. Характеристики и параметры телевизионных камер на матрицах ПЗС.

2.3. Искажения формирования сигналов ТВ изображений в преобразователях "свет/сигнал" на ПЗС.

2.4. Регулировка параметров сигнала изображений и коррекция искажений в ТВ камерах на ПЗС.

2.5. Выводы.

Глава 3. Формирование и преобразования видеоинформационных сигналов в системах неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов

3.1. Реализация неортогонального телевизионного контроля видеоинформационного пространства.

3.2. Разработка принципов параметрической оценки и сжатия спектра видеоинформационных сигналов для систем неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов.

3.3. Формирование и преобразования видеоинформационных сигналов в системах неортогонального телевизионного контроля удалённых объектов.

3.3.1. Формирование видеоинформационных сигналов с прослеживанием объектов.

3.3.2. Подавление шумовых составляющих и преобразование телевизионного сигнала в цифровую форму.

3.3.3. Преобразования транспортного цифрового потока

3.4. Выводы.

Глава 4. Разработка устройств формирования сигналов, сигнализации и сжатия для систем видеоконтроля объектов. Результаты экспериментальных исследований и моделирования на ЭВМ.

4.1. Разработка устройства подавления шумовых составляющих и преобразования телевизионного сигнала в цифровую форму.

4.2. Разработка устройства сжатия спектра телевизионного сигнала для систем видеоконтроля объектов.

4.3. Разработка устройства для неортогонального телевизионного контроля объектов.

4.4. Результаты экспериментальных исследований методов и устройств формирования сигналов в системах неортогонального контроля объектов.

4.5. Выводы.

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 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 i : 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 i результаты теоретических, т экспериментальных исследований специфики искажений обеспечили; основу для разработки эффективных методов и устройств формирования необходимых информационных сигналов и данных, представленных в диссертации . ; ,

Цель и задачи работы

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, ограниченного ансамбля . соответствующих формализованных параметров (признаков идентификации текущей? ситуации), передача;. и архивирование

I ■ ' ' , ' ' '' 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 тшщ относительной оценкой! их состояния;

2. Исследована специфика преобразования масштабно-пространственных параметров! видеоинформации и разработан дискретно - периодический; алгоритм масштабных преобразований изображений^ при наземном ТВ контроле;

3. Разработана методика оценки искажений оптического отображения объектов в датчиках ТВ сигнала для случая неортогонального видеоконтроля;

4. Исследованы характеристики дискретизации сигналов изображений в матричных преобразователей "свет-сигнал" на ПЗС;

5. Проведён анализ специфики преобразований функции пространства видеоконтроля в зависимости от высоты установки, угла наклона ТВ камеры и угла поля зрения её оптической системы.

6. Разработаны основы параметрической оценки и метод сжатия спектра-видеоинформационных сигналов для ТВ контроля удалённых объектов.

7. Разработан метод и алгоритм реализации удалённого видеоконтроля с дискретно ступенчатым прослеживанием объектов.

8. 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:

1. 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».

2. Конкретизированы особенности относительных масштабных преобразований составляющих пространственной структуры изображений и установления режима работы ТВ камеры при неортогональ ном. видеоконтроле.

3. Определена основная специфика весового перераспределения и преобразований составляющих пространственного спектра объектов в зависимости от параметров их позиционирования в области ТВ контроля.

4. Разработана методика анализа пространственно-частотных характеристик дискретизации сигналов изображений в твердотельных, матричного типа, преобразователях "свет-сигнал".

5. Показана целесообразность уменьшения степени высокочастотной коррекции амплитудно - частотной характеристики, видеотракта в системах1 цифрового телевидения.

6. 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 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.

3. Внедрение разработанных в диссертации методов, алгоритмов и устройств дискретно-ступенчатого прослеживания, формирования, сжатия спектра, оценки изменений сигналов изображений объектов, j позволяет в ТВ системах контроля существенно снизить скорость передачи в канале связи цифровых информационных сигналов и сформированных данных по сравнению с существующими вариантами реализации.

4. 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. С.И. 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

4.5. Выводы

1.0. Реализованная в разработанной схеме устройства подавления шумовых составляющих и преобразования ТВ сигнала в цифровую форму раздельная пороговая обработка среднечастотной (от 1,5 мГц до 4 мГц) и высокочастотной (от 4 мГц до 6,5 мГц) составляющих определяет, по отношению к известным вариантам, увеличение эффективности подавления шумов при снижении искажений высокочастотной структуры, соответствующей малоконтрастным деталям общего сигнала изображений. В результате возрастает качество передачи тонкой внутрикадровой структуры изображений.

2.0. Раздельное пороговое ограничения (по минимуму) высокочастотной и среднечастотной составляющих позволило в устройстве подавления шумовых составляющих и преобразования ТВ сигнала в цифровую форму значительно уменьшить влияние шумов на качество передачи фоновой структуры и фрагментов в сигналах изображений. Однако в таком случае имеет место сопутствующий эффект устранения или существенного искажения высокочастотной структуры малоконтрастных деталей общего сигнала изображений. Поэтому ограниченный "по минимуму" сигнал среднечастотной составляющей интегрируют, что устраняет возникающие изменения формы и относительное расширение его частотного диапазона.

3.0. Преимуществом разработанного устройства сжатия спектра ТВ сигнала для систем видеоконтроля объектов является формирование сигнала, определяющего область локализации объекта, осуществляющего нарушение. Это позволяет стробировать во внутрикадровом пространстве текущего кадра сигнал соответствующего изображения, осуществить эффективное сжатие его спектра и передать полученный в результате цифровой поток по каналу связи.

4.0. Необходимо в устройствах сжатия спектра ТВ сигнала обеспечивать формирование на передающей стороне сигналов, определяющих специфику изменения интегральных параметров текущей видеоинформации в зависимости от изменений условий функционирования систем видеоконтроля объектов, передача которых на приёмную сторону даёт базу для синтеза изменений видеоинформационного содержания на приёмной стороне, и определяет, в конечном итоге, увеличения степени сжатия.

5.0. В системах систем неортогонального видеоконтроля объектов должно быть предусмотрено параллельное использование ТВ камер статического и динамического контроля объектов. При этом ТВ камеры динамического контроля должны иметь относительно малый угол поля зрения, что позволяет в условиях прослеживания обеспечивать видеоконтроль подвижных объектов с относительным увеличением масштаба соответствующего изображения. Одновременно с этим обеспечивается растровое стробирование полезной информации.

6.0. В системах неортогонального видеоконтроля объектов имеет место возникновение значительной асимметрии в изменении уровня ТВ сигнала вдоль оптической оси. Спецификой в данном случае является не только локализация максимума уровня сигнала в точке пересечения оптической оси с подстилающей поверхностью, но и существенное снижение крутизны его падения с уменьшением угла проецирования объектов на светочувствительную поверхность ДТВС и, соответственно, с удалением их местоположения от указанной точки пересечения.

7.0. Для систем неортогонального видеоконтроля объектов характерно существенное, ассиметричного типа, снижение четкости ТВ изображений с удалением положения контролируемого объекта от точки её пересечения с подстилающей поверхностью. При этом градиент снижения, на подстилающей поверхности, чёткости ТВ изображений наиболее существенно возрастает в ближайшей к ДТВС области.

1. Безруков В.Н, Власюк И.В, Басекеев А.А. Специфика оценки пространственных характеристик сигналов изображений в системах телевизионного контроля объектов. // Метрология и измерительная техника в связи. - 2006. - № 2. - С. 42-48.

2. Власюк И.В, Балобанов А.В., Басекеев А.А. Анализ пространственно-частотных характеристик распределения светочувствительных элементов в пределах растра матрицы ПЗС. // Метрология и измерительная техника в связи. 2006. -№ 3. — С. 36^0.

3. Басекеев А.А. «Особенности телевизионного контроля удалённых объектов» Научно-техническая конференция профессорско преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Материалы конференции, МТУСИ, 2004 г

4. Басекеев А.А., Шустров Ю.А. «Современные системы телевизионного контроля объектов». Научно-техническая конференция профессорско -преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Материалы конференции, МТУСИ, 2004 г.

5. Игнатов Ф.М., Басекеев А.А., Шустров Ю.А. «Особенности современных видеокамер охранного телевидения», 13-ая Межрегиональная конференция «ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В СИСТЕМАХ ТЕЛЕФОННОЙ СВЯЗИ И ВЕЩАНИЯ», МТУСИ 2004 г., 3 стр.

6. Басекеев А.А., «Системы автоматического регулирования в камерах охранного телевидения». Научно-техническая конференция профессорско -преподавательского, научного и инженерно-технического состава. Материалы конференции, МТУСИ, 2006 г.

7. Безруков В. Н., Власюк И.В., Комаров П.Ю., Мультипликативные амплитудные искажения оптического изображения видеоинформации впространстве кадра при телевизионном контроле объектов, Журнал "Метрология и измерительная техника в связи" № 5 2005 г.

8. В.Н. Безруков. Анализ характеристик спектра ортогональных структур квазипериодической дискретизации в системах телевидения,- Радиотехника, 1989, №2, с. 3-7.

9. Сами Мохамед Ахмед Гараши. Исследование и разработка методов и устройств формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля объектов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 2003.

10. В.Н. Безруков, И.В. Власюк, П.Ю. Комаров. Специфические искажения структуры изображений в системах цифрового телевидения // Мобильные системы. 2006. - № 11. - С. 34-37.

11. И.В. Власюк, А.В. Балобанов, П.Ю. Комаров. Коррекция пространственных искажений сигнала изображения в системах цифрового телевидения. // Инфокоммуникационные системы. 2006. - № 4. - С. 46-51.

12. А.В. Балобанов, И.В.Власюк. Коррекция искажений сигналов изображения быстродвижущихся объектов. // Материалы научной конференции профессорско-преподавательского, научного и инженерно-технического состава. М.: МТУСИ. - 2006. - С. 123-124.

13. Ю.А. Кузнецов, В.А. Шилин, «Микросхемотехника БИС на приборах с зарядовой связью», Москва, изд-во Радио и связь» 1986 г.19. «Приборы с зарядовой связью» Под редакцией М. Хоувза и Д Моргана, изд-во «Энергоиздат», Москва 1981 г.

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

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

16. Королёв Е.Н. «Спектральные методы контроля окружающей среды» изд-во «Компания спутник +», Москва 2000 г.

17. Уваров Н.Е. «Визуальная обстановка в системах телевизионного наблюдения»

18. ЗАО КОМПАНИЯ БЕЗОПАСНОСТЬ" Публикация от 22-06-2001г.

19. Куликов А.Н. Телевизионные наблюдения в сложных условиях// Специальная техника, 2000. - № 35

20. Шаронов В.В. Таблицы для расчета природной освещённости и видимости, М.: Изд-во АН СССР, 1945 г.27. «Твердотельная революция в телевидении», под редакцией А.А. Умбиталиева и А.К. Цицулина, М.: Радио и связь, 2006 г. — 300 с.

21. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под. ред. Ю.Б. Зубарева и В.П. Дворковича. М.: МЦНТИ, 1997.

22. Смирнов А.В. Основы цифрового телевидения: Учебное пособие.-М.: "Горячая линия Телеком", 2001.

23. Рабинович А.В. Кодирование изображений с применением вейвлетпреобразования // Труды НИИР, 2003.

24. И. С. Гоноровский, М.П. Демин, Радиотехнические цепи и сигналы, М.:Радио и связь, 1994 г.

25. Прэтт У. Цифровая обработка изображений. М. : Мир, 1982.- 1-2 том.

26. B.C. Бабенко, Оптика телевизионных устройств, 2-ое изд., перераб. и доп. М.: «Радио и Связь», 1982 г.

27. Птачек М. Цифровое телевидение. Теория и техника. М.: Радио и связь, 1990 г.

28. А. А. Харкевич. Спектры и анализ. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

29. Дворкович А. В., Дворкович В. П., Зубарев Ю. Б., Мохин Г. Н. и др, под ред. Зубарева Ю. Б. и Дворковича В. П. "Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений". -М.: 1997 г.

30. Рабинович А.В. Кодирование изображений с применением вейвлет-преобразования // Труды НИИР, 2003.

31. Воробьев В.И., Грибунин В.Г. Теория и практика вейвлет преобразования. -С.-Петербург: ВУС, 1999.

32. Цифровое кодирование телевизионных изображений. / Под ред. И. И. Цуккермана. — М.: Радио и связь, 1981.

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

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

35. Цифровая обработка телевизионных и компьютерных изображений / Под. ред. Ю.Б. Зубарева и В.П. Дворковича. М.: МЦНТИ, 1997.

36. Квиринг Г. Ю. Прикладное телевидение. М.: Моск. Ин-т, 1989.-88 с.

37. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника.-М.: Сов. радио, 1966

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

39. Телевидение: Учебник для вузов / Под ред. В.Е. Джаконии.-М.: Горячая линия Телеком, 2002

40. Baddeley R. The correlational structure of natural images and the calibration of spatial representations // Cogn. Sci., 21, 1997.

41. Dong D.W. Spatiotemporal inseparability of natural images and visual sensitivities // Computational, neural & ecological constraints of visual motion processing, 2001.

42. Jain A.K. Fundamentals of digital image processing // Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1989.

43. Torralbal A., Oliva A. Statistics of natural image categories. //Network: Comput. Neural Syst., 14, 2003.

44. Fergus W. Campbell and Lamberto Maffei. Kontrast und Raumfrequenz. In Manfred Ritter, Wahrnehmung und visuelles System, Seite 132-139. Spektrum der Wissenschaft, 1987.

45. R. Steinbecher, Bildverarbeitung in der Praxis. Miinchen; Wien: Oldenbourg, 2002

46. Andre Garstka, Erweiterung eines auf Wavelets basierenden Erkennungsalgorithmus auf teilverdeckte Objekte. Institut fur Neuroinformatik, Ruhr-Universitat Bochum, FRG, 2002

47. Bray, A. J. "Tracking objects using image disparages". Image Vision Computing. Vol. 8. No. 1,.1990.

48. Murray, D. and Basu, A. "Motion Tracking with an Active Camera". IEEE Trans. Patt. Anal Mach. Intell. Vol. 16. No. 5. pp 419-459. May. 1994.

49. J. M. Odobez and P. Bouthemy. Direct incremental model-based image motion segmentation for video analysis. Signal Processing, 66: 143- 145, 1998.

50. A. Baumberg, "Hierarchical shape fitting using an iterated linear filter," in Proceedings of the Seventh British Machine Vision Conference (BMVC96), pp. 313— 322, BMVA Press, 1996.

51. Roberts L. Machine perception of three dimensional solids. 1965.

52. Kirsch R. Computer determination of the constituent structure of biological images, Computers and Biomedical Research, 1971

53. Романовский П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа. М.: Наука, 1980. - 336 с.169,

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

55. Справочник по высшей математике / А.А.Гусак, Г.М.Гусак, Е.А.Бричикова. Мн.: ТетраСистемс. 1999 - 640 с.

56. Microsoft, 'Broadcast-Enabled Computer Hardware Requirements', WinHEC'97, Broadcast Techologies White Paper, 1997, pp. 11-12

57. R.S. Prodan, "Multidimensional Digital Signal Processing for Television Scan Conversion', Philips J. of Research, Vol. 41, no. 6, 1986, pp. 576-603.

58. P.D. Filliman, T.J. Christopher and R.T. Keen, 'Interlace to progressive scan converter for IDTV', IEEE Tr. on Cons. Electr., Vol. 38, no. 3, Aug. 1992, pp. 135144.