CC BY
47
16 декабря 2011 г. 18:04
Т-Сопіт #10-2010
(Технологии информационного общест ва)
О высокоточном опознавании телевизионными автоматами
Обсуждены мероприятия д.чя достижения высоких качеств чувствительности и точности при опознавании многоспектрозональными телевизионными автоматами.
Петраков Л.В.,
Заместитель заведующего кафедрой ЗИТПС. профессор Фелясв Л.С.,
Соискатель ученой степени кафедры ЗИТПС Ку.зьбака С.С.
Заведующий учебной.лабораторией кафедры ЗИТПС
В современных науке, технике, производстве человек развил свою деятельность во всем спсктрс электромагнитных излучений (рис. 1). Научные и технические приборы, устройства, системы работают в различных диапазонах в радиовещании, телевидении, цифровой и аналоговой сотовой связи, энергетике, компьютерной и офисной технике, в быту, военном деле и в медицине. Это с одной стороны. С другой стороны, в вузах и университетах телекоммуникаций студентами изучаются, аспирантами исследуются физические процессы и работа конкретных устройств (связи) практически во всем спсктрс электромагнитных волн, представленных на рис. 1. Университеты телекоммуникаций целесообразно и своевременно расширяют сферу своей учебной деятельности (а отсюда и методической, и научной).
Задачи обнаружения и распознавания (чтения) объектов телевизионными методами проанализированы и детализированы в [1]. Одна из важных перспективных задач в технике читающих автоматов - обнаружение скрытых объектов, в частности, в объектах авторского права, наделенных «цифровым и водяными знаками». Другая важная перспективная задача - технология защитного маркирования документов специальными защитными знаками, представляющими собой бинарное или многоуровневое изображения графических образов речевого сообщения, содержащего ключевые элементы смыслового содержания защищаемой документированной информации [2. 3]. Такие защитные знаки, представляемые в виде рисунка (речевой подписи) на поверхности материального бумажного, магнитного или иного носителя голоса и его изготовителя (владельца), можно фиксировать, считывать и озвучивать.
Распознавание - основная функция высокоточных телевизионных читающих автоматов [4. 51. Распознавание (опознавание) - процесс, распознание (опознание) -результат. В видимом диапазоне электромагнитного спектра человек получает свыше двух третей объема информации, в том числе с помощью телевидения. Если причислить сюда также инфракрасный и рентгеновский диапазоны спектра, то объем видимой человеку информации возрастает до 85...90% (при использовании ИК и рентгенопреобразователей).
В оптическую область длин волн входят (как считается в начале XXI в.) видимый, ультрафиолетовый и ин-
фракрасиый. а звуковой, ультразвуковой, радио (мм. см. дм, м), рентгеновский и гамма диапазоны - это иные (неоптичсскис) части электромагнитного спектра. Видимый диапазон длин волн (0,38...0.78 мкм) составляет всего лишь одну октаву (даст человеку до 80...85 % информации). весь же электромагнитный спектр (перечислен) занимает на частотной оси (на шкале длин волн) более 60 октав.
Сюоросг* сета * 300" 10* «в'є
Микрометр Миллиметр
10 10” 10й
, Видимый сеет
10 м-дпмаюг»м М
0.4.-ОД
БР ЦНГ НР Ц1
>♦»«««♦♦) Ради вНР УНР М Г
Ч ЭОО мм. или 10 ГГц -
ьч 120 мм, или 10.5 ГГц и датчию* оопосм I
тв РМ радиостанции • • Радиостанции (ДВ/СВ)
Свободно* пространство I---------I
сигнала .ревсо. УЗ устройства
перадачиарадиусе 1 500 м 40.. .20 *-ц Границы слух.
ім«іт І I большинства
400-30 ГГц 1в «Гц.. 26 Гц л-од**
ИК Ра УЗ . .
400, 50 Гц
450., 470 МГц радиопередачи 150-170 МГц радиопередачи (трааога) а радиусе 80 км ^ (треста) а радиусе 50 км Частот* Гц
Рв
. Электросети
(траеуга) е
3-10® 310* НО* МО* 3-Ю** 310м 51 О* З-ІО* 310* 310* 310* 3 310 •* 310 '
смерти* кванта (волны), пДж ■—і—і—і—і—|—і—і—і—і—і—|—і—і—і—і—і—|—і—|—і—і—і—і—і—|—і—і—• 2 10* 2 10 ’ 210* 2'10* 2'іо’2 10*2 10''210’*2 10'*210''2 10 *210’’2 10**2 10*
Эмиром «винти (волны), эв
1.24 10* ' 1.2410*
1.2410 4 1.24 10*
1.2410 1,2410
Энорпки кванта (во»м). X*
2-10 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210 210
Рис. 1. Спектр и энергия электромагнитных волн: диапазоны РЕ - рентгеновский; ИК - инфракрасный; Ра - радио (мм, см, дм); УЗ - ультразвуковой
В 2009 г. вполне осуществимо визуализировать процессы и события на любых частотах (визуализируются неравномерности, возмущенности, нестабильности и тл.). Визуализировать (и осмысленно трактовать результат) значительно легче, если иметь информацию из различных диапазонов спектра (видимый и инфракрасный; рентгеновский и видимый; радио, видимый и ультрафиолетовый и т.д.) и разумно ее использовать, определенным образом совмещая растры или изображения.
76
Впервые монография по совмещению телевизионных растров была опубликована еще в 1985 г. [6]. в которой показано, что развитие телевизионной техники характеризуется двумя важными тенденциями: повышением требований к качественным показателям воспроизводимого телевизионного изображения и стремительным расширением областей применения телевизионных методов и устройств. Наряду с традиционным цветным телевизионным вешанием широкое применение находят спсктрозональные и фотометрические телевизионные системы для космических исследований, высокоточные измерительные системы, системы для регистрации кратковременных и быстропротекаюпшх процессов, телевизионные роботы и системы для автоматизации производственных процессов.
При создании указанных систем приходится решать задачи обеспечения высокой стабильности телевизионных растров при минимальных координатных искажениях и высокой точности их совмещения. Без этого невозможно получить высокое качество телевизионного изображения либо обеспечить высокую точность телевизионных измерительных систем.
В черно-белом телевидении допустимыми являются координатные (растровые) искажения по вертикали до 5%. по горизонтали до 10%. Эти искажения не столь резко заметны для человеческого глаза на черно-белом растре телевизора. Для создания же цветного телевизионного растра необходимы три растра (красный, синий, зеленый) с идентичными координатными искажениями. В спектрозоналыюм телевидении используются более трех растров с идентичными координатными искажениями.
Высококачественное цветное, многоспектрозональное телевидение, измерительные телевизионные автоматы могут быть реализованы только при условии создания высокостабильных растров с минимальными искажениями в телекамерах. Совмещать растры передающих систем можно и в видеоканалах, и в телевизионном приемнике перед устройством отображения.
Совмещение растров передающих телевизионных приборов (ПТП) включает в себя две самостоятельные задачи:
установку растров в определенное пространственное положение (установочное совмещение растров ПТП), что делается при настройке и наладке ТВ системы;
долговременное поддержание растров в установленном пространственном положении с объективным контролем их геометрических параметров.
В современных телевизионных измерительных системах при контроле и регистрации координат отдельных точек изображения достигнуты значения приведенных случайных погрешностей 10''... Ю"4 (7. 8]. Систематические погрешности телевизионного канала можно минимизировать с помощью калибровочных устройств и при использовании элементов ЭВМ до значений, приближающихся к указанным выше. Сложнее минимизировать погрешности совмещения растров ПТП, возникающие из-за различных дестабилизирующих факторов. Этому вопросу посвящены работы советских и зарубежных специалистов [6, 9].
В [6] основное внимание было сосредоточено на вопросах автоматизированного совмещения телевизионных растров в цветных (и спектрозональных) камерах и
стабилизации размеров и пространственного положения растров ПТП телевизионных измерительных систем, работающих в линии с ЭВМ. Рассмотрены способы обеспечения как установочного совмещения геометрически подобных растров в определенное пространственное положение, так и долговременного поддержания высокой точности их совмещения. Установочное совмещение обычно осуществляется с помощью соответствующих элементов и устройств регулировки в процессе настройки аппаратуры. Длительная стабильность совмещения может быть достигнута применением цепей обратной связи и систем автоматического регулирования. а также соответствующей обработкой сигналов в телевизионном канале.
Совмещению телевизионных растров в цветных телевизорах уделено внимание в ряде книг по цветному телевидению и в специальных руководствах обслуживающему персоналу цветных телевизионных установок.
Вопросы регулировки, автоматизированного контроля и подстройки геометрических и пространственных параметров растров ПТП в обобщенном виде в советской и зарубежной литературе до [6. 9] не были освещены, и материал книги [9] основан в большой степени на изобретениях автора [6. 9].
По прошествии 20 с лишним лет резко развились технологии обнаружения и опознавания в иных (невидимых) диапазонах электромагнитного спектра (это ведь уже не телевидение, а видение в других - невидимых -диапазонах!), используются энсргочувствитсльныс растры в различных диапазонах [10] и их необходимо совмещать.
Распознавание и достоверное распознание видимой и визуализированной информации - основная задача телевизионных читающих автоматов (ТВЧА). Видимая и визуализированная информация может быть предъявлена ТВЧА двояко: на каком-либо носителе (фотография, рисунок и т.д. - они существуют всегда и могут быть предъявлены ТВЧА не единожды) или только в момент существования события (фаза взрыва, пуля в полете, молния в какой-то фазе развития, стримеры или треки в искровой камере и т.д. - повторить точно такие события исключено и повторно их предъявить ТВЧА невозможно) [10, И].
Таким образом читающие автоматы (и не только ТВЧА) могут быть принципиально двух типов: работающие с картинками на каком-либо носителе и регистраторы-измерители однократно существующих в конкретный момент событий (бесфильмовые).
Три. а может и четыре, десятка лет назад фотографии. чертежи и т.п. являлись наиболее распространенным носителем статических визуальных сообщений высокого разрешения и, при соблюдении ряда условий, высокой точности. Своевременно в [12. 13] был исследован новый класс приборов, предназначенных для измерения геометрических координат графических изображений. причем при высокой производительности достигнуты абсолютные погрешности измерений 3...5 мкм и относительные приведенные погрешности около 10"'. Эти приборы нашли широкое распространение прежде всего в экспериментальной физике (потому что эта сфера научной деятельности была открытой) для измерения фотографий и были использованы в других областях науки и техники.
77
В случаях удовлетворения худшими, чем упомянутые. результатами измерений координат событий по фотографиям, но при необходимости получения результатов измерений в реальном времени во время эксперимента в линию «искровая (стримерная) камера - телевизионная система - ЭВМ» включалось среднее звено. И таким образом возник новый класс автоматических систем переработки измерительной информации и управления — телевизионных комплексов в линии с ЭВМ для регистрации быстропротскающнх и кратковременных (10 нс.,.1 мке) процессов в реальном времени. В монографиях [10. 13) обобщен опыт исследований, разработки и применения телевизионного оборудования для измерения координат кратковременно живущих треков искровых и етримерных камер, представлены результаты изучения работы ПТП при кратковременных засветках высокой интенсивности (это различные ПТП види-кониого типа, в том числе кремниконы; в настоящее время кремний - основной светочувствительный элемент в ПЗС и КМОП). Достигнутые относительные приведенные погреш-ности при использовании дюймовых ПТП около 210'4 [14] при условии стабилизации пространственного положения растра ПТТ (трубки) с помощью запатентованных методов и устройств [6. 14].
В монографии [5] (и затем [9]) освещаются необходимость и общие достижения в технологиях растровых читающих автоматов, оптико-механические сканаторы, измерительные системы на основе электронно-лучевых трубок «бегущее пятно», читающе-опознающис растровые системы для высокоточной регистрации кратковременных событий и быстропротскающнх процессов в различных спектрально-энергетических диапазонах, общие принципы построения читающе-опознающих автоматических устройств; исследованы предельные качества лазерно-зеркальных сканаторов. телевизионных измерительных комплексов, читающе-опознающих как редкие, так и высокостатистичные события на электронно-лучевых трубках «бегущее пятно» и на передающих телевизионных приборах с памятью, в том числе события мнкросскундного и наносскундного диапазонов длительностей существования событий при условиях бес-фильмовой высокоточной регистрации двух (много (растровыми энергоприемникамн.
В ряде приложений необходимо совмещать растры трубочных и твердотельных энергопрнемников. и это означает, что нужно управлять пространственными параметрами трубочных растров. Материал [6. 9] на основе ряда изобретений автора показывает, как это делать. Здесь представлен материал по результатам исследования работы фотослоев при микросекундных и наносс-кундных длительностях регистрируемых энсргопроцес-сов. Эти фотослои (варианты кремния и др.) в прошлом и настоящем (и будущем) используются весьма успешно как в трубочных, так и в твердотельных телевизионных энергоприемниках различных диапазонов электромагнитного спектра. Представлен также материал по работе энсргоэлектричсских преобразователей в пикосекундном и фемтосекундном диапазонах длительностей энергопроцессов.
Технология высокоточного совмещения телевизионных растров в последнее время [15] освоила новое направление. В частности, японская компания МНйиЫьЫ Е1есПлс разработала инновационную технологию, позво-
ляющую увеличить разрешение видеоизображения высокой четкости комбинированием картинок от нескольких телекамер в один поток [15]. В западной прессе эту разработку называют «супср-HD», хотя не известно, зарегистрировано ли где-нибудь это название официально.
Компания Mitsubishi тестирует эту технологию в своем научно-исследовательском центре в Токио - лля создания одного высококачественного изображения используются пять телекамер. Эти телекамеры подключены к компьютерам с чипами лля обработки трехмерной графики, которые обеспечивают исходные данные. Различия в изображениях анализируются, и на их основе создается новая единая картинка, значительно превосходящая источник по разрешению.
При помощи пяти телекамер получается создавать видео с разрешением в четыре раза большим, чем в стандарте HDTV - качество выходного изображения соответствует цифровому кинотеатру. Оценено, что при использовании тестируемой конфигурации задержка на цифровую обработку сигнала и его воспроизведение составляет всего лишь 0.15 с.
Новая технология может быть использована в системах видеонаблюдення (опознавания) и телевизионном вешании, однако следует считать, что мощности современных домашних компьютеров для комфортного воспроизведения подобного видео будет, скорее всего пока, недостаточно: перспективные системы видсонаблюде-ния при использовании этой технологии должны будут обладать весьма значительными вычислительными и сетевыми ресурсами.
Но ведь наука развивается совсем не в первую очередь для домашних развлечений [5, 9].
Задачи наблюдения малоконтрастных объектов в условиях мощных фоновых помех являются проблемными независимо от спектрального диапазона работы обнару-жительной аппаратуры. Впервые задачи регистрации малоконтрастных объектов в условиях фоновых помех и низких освещенностей решались в видимой области спектра (С.И. Вавилов. А.В. Луизов. А.С. Лебедев). Задача регистрации объектов, имеющих различную температуру (от «холодных» объектов до высокотемпературных), до настоящего времени проблемна и может решаться созданием аппаратуры, состоящей из нескольких спектральных каналов (работающих в различных диапа-юнах длин волн), объединенных в один комплекс [16]. А это, детализируя:
разработка аппаратуры сверхвысокой чувствительности, работающей в видимом диапазоне в условиях предельно низких освещенностей при предельно низком контрасте наблюдаемых объектов к окружающему их фону;
разработка высокочувствительной аппаратуры визуализации «теплых» и «холодных» объектов;
разработка малогабаритной чувствительной аппаратуры. работающей в длинноволновом диапазоне (радиодиапазоне);
объединение всех каналов аппаратуры в единый конструктивный комплекс с взаимопривязкой осей наведения («осей визирования») каждого канала (с погрешностью до долей пикселя) в общую лля всего комплекса «прицельно-визирную» ось.
78
жения». Приоритет 27.04.2004 г.). В малогабаритных бортовых телевизионных комплексах, используемых на БПЛА. последний вариант (с установкой в фокальной плоскости нескольких ПЗС) можно считать предпочтительным (рис. 4) [18].
Рис. 4. Принципиальная схема сверхшнрокоугольиой ТВ камеры с четырехканальным призменным блоком (для установки в фокальной плоскости оптической системы четырех матричных ПЗС - разработка НИИТ): / - широкоугольная оптическая система; 2 — четырехканальный призменный блок
Решение проблемы регистрации объектов телевизионной аппаратурой, установленной на БПЛА. в условиях низкой освещенности (в сумерках и ночью) находится в прямой зависимости от требуемой минимизации габаритов телевизионного комплекса.
Проблема обеспечения работы малогабаритной аппаратуры обнаружения по малоконлрастным объектам в условиях низкой освещенности в спектральном диапазоне 0.4... 1,1 мкм может быть решена разработкой бортовых телевизионных комплексов следующих вариантов [18]: обеспечением дополнительной «активной» подсветки с помощью современных лазерных средств (лазерами или лазерными диодами);
использованием электронно-оптических преобразователей 111 или IV поколения (ЭОПов);
использованием высокочувствительных матричных ПЗС (построенных на базе Ехиаус НА!) технологии) с реализацией допустимого временного (не приводящего к «смазу» изображения) накопления и поэлементного (несколькими элементами) накопления сигнала.
Применение первого варианта ограничивается возможностью нежелательного обнаружения самого БПЛА. Второй вариант авторами [18] отвергается из-за увеличения массогабарнтных параметров.
Третий вариант (с точки зрения создания малогабаритной обнаружитсльной телевизионной аппаратуры и возможности решения проблемы регистрации малоконтрастных объектов в условиях предельно низких освещенностей) является предпочтительным (НИИ Г и [9, 1620]). в частности, вследствие:
создания высокочувствительных (максимально реализующих высокий квантовый выход) матричных ПЗС (на базе Нхч'аус НАЭ технологии), очувствленных во всем спектральном диапазоне ДА. - 0,4... 1,1 мкм;
возможности реализации накопления сигнала несколькими чувствительными элементами ПЗС [9, 19];
возможности реализации малокадрового режима и временного накопления сигнала [19. 20];
успешной разработки программ и блоков повышения контраста регистрируемых малоконтрастных целей, а также специальных технологий, реализующих процесс восстановления «смазанных» подвижных объектов;
высокоточного совмещения разноспсктрозональных растров [9].
Литература
І Псі раков Л.В. Задачи обнаружения и опо знавании объектов телевизионными методами. Груды научно-технической конференции «Телекоммуникационные и вычислительные системы» Международною форума информатизации (МФИ-2004). - М.: ООО «Пнсвязьнз-дат». 2004. - С. 261
2. Дворникин С.В. Речевая подпись: Учебное пособие / Паї ред. А.В. Петракова. - М.: РИО МТУСИ. 2003. - 184 с.
V Неї раков А.В. Крннго- и стеган (графический аспекты в цифровом телевидении Техника кино и телевидения. 2004. >1*6. -С.34-38.
4 Вмокло. В.Г., ІІсіраков А.В. Высокоточные телевизионные читающие автоматы. Распожаваннс - основная их функция. Материалы Международного форума информатизации МФИ-2007. - М.: ООО «Инсвязьиздаг». 2007.-С. 198-199.
5. ІІеіракон А.В., Вискуб В.І. Высокоточные телевизионные читающие автоматы. - М.: Энергоатомнздат, 2008. - 576 с.
6. Неї раков А.В. Совмещение телевизионных растров. - М.: Радио и связь. 1985. - 96 с.
7 ІІсграков А.В. Телевизионный бссфнльмовый метод измерения координат быс1ропрогскаи>щих процессов // Приборы и техника эксперимента. 1977. іїз 1. С. 7-16.
s Роесс.ісвич II .Ам Ііуккерман И.И. Перспективы автоматизации телевизионных центров // Техника кино и телевидения. 1975. -Мб СЗ-7
9 Петраков А.В. Совмещение разноспсктрозональных и прецизионных телевизионных растров. - М.. РадноСофт. 2009 - 208 с.
К). Пі* і раков А.В., Харнюнов В.М. Высокоточные телевизионные комплексы для измерения быстропрогекающнх процессов. - М.: Атомнзлат. 1979. - 160 с.
11. Выскуб B.I ., Канцеров В.А., Кольцов H.V1. и др. Измерительные сканирующие приборы / Под ред. B.C. Розова. - М.: Машиностроение. 1980. - 198 с.
12. Розов Ь.С. Измерительные сканирующие приборы и устройства. Днсс... докг. техн. наук. - М.: МИФИ, 1975. - 290 с.
13. ІІеіракон А.В. Автоматические телевизионные комплексы для регистрации быстролротекаюших процессов. - М.: Энергоатомнздат, 1987 - 152 с.
14. Петраков А.В. Высокоточные телевизионные комплексы для измерения координат однокралтых быстропрогекающнх процессов. Днсс... д-ра техн. наук. - М.: МИФИ. 1983. - 175 с.
15. Super-HD: несколько камер - одно изображение // Газета Security News. 2008. №2 (22). С.4.
16. Умбиталиев А.А., Ныцу.тин А.К., Смирнов В.Д. О совместном применении твердотельной приемной аппаратуры миллиметрового диапазона и приборов инфракрасною диапазона // Труды 15-й Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение» (март 2007). - М.: ФГУП МКБ «Электрон», 2007. С. 133-136.
17. Смирнов BJI Отттнко-^лсктронные сканирующие системы. -С.-Пб.: Изд-во Петербургского института печати, 2004.
IS. Смирнов В.Д.. Кучметов Д.О., 1 ерсанова С.К., Шевко А.С. Малогабаритные те.іевизионньїе комплексы для регистрации объектов с борта беспилотных летательных аппаратов в диапазоне спектра 0.4... 1.1 мкм Груды 15-й Всероссийской научно-технической конференции «Современное телевидение». - М.: ФГУП МКБ «Электрон», март 2007. -С.137-141.
19. Куликов А.Н. Высокочувствительные ТВ камеры 7 Системы безопасности. 2000. - Л® 35. - С. 34.
20. Смирнов ВЛ Устройство для воспроизведения изображения А.С. 2271073 (РФ) Приоритет 27.04.2004 г
80
