CC BY
71
O.V. Goryachev, A.G. Efromeev, D.I. Stepanichev
DEVELOPMENT OF VERTICAL GUIDANCE DRIVE SIMULATOR ACTUATORS REQUIREMENTS
The technique of development of vertical guidance electrical linear motion drive with ballscrews simulator actuators requirements is proposed.
Key words: vertical guidance drive, ballscrews, linear motion drive.
Получено 03.10.11
УДК. 681.5
М.Б. Цудиков, канд.техн. наук, (4872) 350219, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ПАНОРАМНЫЙ ВИДЕОМОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ
Предложена общая структура панорамно-оптического устройства наблюдения. Рассмотрены компоновочные схемы оптико-механических узлов. Проведен анализ элементов системы, получена общая пространственно-частотная характеристика устройства, предложены алгоритмы для панорамного видеонаблюдения.
Ключевые слова: видеомониторинг, панорамирование, оптический
фильтр, фотоэлектронный преобразователь, дисперсия света.
В последнее время вопросу создания телекамер для панорамного наблюдения уделяется большое внимание [1]. Особую сложность представляет получение круговых панорам с разверткой по горизонтали не менее 360° и приемлемой для практики скоростью обработки видеоинформации. Кроме того, существенное значение имеют массогабаритные характеристики устройства наблюдения.
Структура панорамных устройств видеонаблюдения
Анализ литературы показывает, что возможны различные конфигурации систем панорамного оптикоэлектронного наблюдения [2].
Варианты общих структурных схем панорамных оптико-электронного устройств наблюдения (ПОЭУН) приведены на рис. 1, где 1 - фотоэлектронный преобразователь (ФЭП); 2 - узел оптико-механического сканирования; 3 - канал связи; 4, 5 - два полукомплекта аппаратуры передачи данных; 6 - ЭВМ оператора, обслуживающего систему; 7 - память для хранения образа наблюдаемой сцены в штатном режиме; 8 - видеомонитор; 9 - средства ввода данных; 10 - оператор, обслуживающий систему; 11 - блок управления; 12 -управляющая ЭВМ.
Рис. 1. Варианты ПОУЭН
В устройстве, представленном на рис. 1,а, наблюдение производится в режиме сканирования сцены по жесткой программе. Канал передачи данных является полудуплексным и предназначен для передачи видеосигнала в одном направлении - от средств телекамеры к пульту оператора.
Достоинством данного устройства является простота ТВ-камеры. Это позволяет снизить стоимость, массогабаритные характеристики и энергопотребление ФЭП. Если размеры наблюдаемой сцены ограничены или применяется ТВ-камера, укомплектованная широкоугольным объективом, узел 2 может быть исключен из структуры.
Недостатки: жесткая программа сканирования панорамы; необходимость использования широкополосного канала связи для передачи видеосигнала; отсутствие возможностей управления ТВ-камерой, например, изменения диафрагмы и фокусного расстояния.
ПОЭУН на рис. 1,6 позволяет вести передачу данных с ТВ-камеры на пульт управления видеосигнал вместе с сигналом телеметрии. С пульта управления на телекамеру передаются команды оператора, отвечающие за сканирование сцены.
Включение в структуру ТВ-камеры простейшего блока управления сканированием резко повышает функциональные возможности процесса мониторинга за счет введения обратной связи по сигналу изображения. У системы появляются возможности по управлению диафрагмой и фокусным расстоянием. Передача телеметрических данных осуществляется путем наложения сигналов телеметрии на видеосигнал. При этом полоса телеметрических сигналов уже полосы пропускания видеоканала.
Вследствие того, что для управления сканированием требуется небольшое количество команд, функции блока управления телекамерой также ограничены. Это позволяет использовать как стандартные протоколы управления телекамерой (ЫТШ, РБЬСО Б и др.), так и разрабатывать протоколы, адаптированные к условиям функционирования ПОЭУН. Расттти-рение функциональных возможностей и появление дополнительного блока
управления в ПОЭУН несколько увеличивает массогабаритные характеристики и стоимость.
К недостаткам ПОЭУН, приведенной на рис. 1, б, можно отнести непрерывную передачу видеоданных на пульт управления по широкополосному каналу связи.
ПОЭУН на рис. 1, в работает следующим образом. В ждущем режиме сканирование сцены осуществляется по программе, которая задается оператором с пульта управления, и видеосигнал вводится в управляющую ЭВМ. В процессе сканирования производится автоматическое обнаружение изменения сцены. После этого оператор принимает одно из следующих решений:
получить полноформатное изображение панорамы; получить, содержащее изображение нарушителя; проигнорировать сигнал системы о нарушении.
Для передачи сигнала оператору информации о факте нарушения, координатах нарушителя и фрагмента изображения достаточно узкополосного канала связи. Время, затрачиваемое на сигнализацию, мало. В то же время для передачи полноформатного изображения панорамы или ее фрагмента требуется канал связи, согласованный по скорости с ФЭП.
Включение в состав видеокамеры процессора, обрабатывающего видеосигнал в режиме реального времени и реализующего протокол управления телекамерой повышает функциональную гибкость системы в целом. В структуру телекамеры возможно введения трансфокатора, управляемой диафрагмы. В узле оптико-механического сканирования возможна реализация режима фиксации поля зрения на одном выбранном секторе панорамы и т.п.
К недостаткам подобного технического решения следует отнести повышение сложности и стоимости телекамеры за счет введения в ее структуру мощного процессора. Кроме того, в данном ПОЭУН функции периферийного процессора дублируются процессором пульта управления.
Анализ приведенных схем показывает, что вариант на рис. 1,а является на настоящий момент достаточно просто реализуемым и обеспечивает широкие функциональные возможности системы.
Панорамные оптико-электронные устройства наблюдения
Для выбора наиболее оптимального устройства необходимо проанализировать следующие возможные варианты ПОЭУН:
оптико-механический узел с оптической компенсацией поворота изображения в плоскости ФЭП [3];
оптико-механический узел без компенсации поворота изображения
[4];
бескинематическая камера.
Оптико-механического узел с оптической компенсацией поворота изображения в плоскости ФЭП приведен на рис. 2, а. Устройство работает в старт-стопном режиме, вся панорама состоит из отдельных кадров.
В начальный момент времени с помощью датчиков 5 призма АР-90 1 и призма Аббе 6 устанавливаются в положение, при котором горизонталь земной системы координат параллельна короткой стороне фотоматрицы. Производится сканирование пространства и результаты сканирования через блок управления 11 и интерфейс 12 передаются во внешнюю ЭВМ. После этого через блок управления с внешней ЭВМ передается команда управления, по которой шаговый двигатель 10 поворачивает призму АР-90
1 и призму Аббе 6 на угол, обеспечивающий совмещение кадров по длинной стороне.
3 2 14
5 2 3
\
\
ч\\
ч
б
мш
ТТТ 1 \і/
1 4
/ /
/
-V----
Ш
1—ч 10)
.і—і/
Рис. 2. ПОЭУНс оптической компенсацией поворота изображения (а) и без компенсации (б) в плоскости ФЭП:
1 - призмаАР-90; 2 - оправка призмы; 3 - подшипники; 4 - редуктор; 5 - датчик положения; 6 - призмаАббе; 7 - оправка призмы;
8 - объектив; 9 - ФЭП (ТВ- камера); 10 - шаговый двигатель;
11 - блокуправления; 12 - интерфейс с ЭВМ
Благодаря тому, что призма 6 вращается с угловой скоростью в два раза меньшей, чем АР-90, осуществляется компенсация поворота изображения в плоскости скоростью в два раза меньшей, чем АР-90, осуществляется компенсация поворота изображения в плоскости фотоматрицы ТВ-камеры 9. Возможные наложения полос изображений по длинной стороне кадра убираются программными методами.
Оптико-механический узел без оптической компенсации поворота изображения в плоскости ФЭП приведен на рис. 2,6.
Он также работает в старт-стопном режиме. В начальный момент времени с помощью датчика 6 призма АР-90 1 устанавливаются в положение, при котором горизонталь земной системы координат параллельна короткой стороне фотоматрицы. Производится сканирование пространства, и результаты сканирования через блок управления 9 и интерфейс 12 передаются во внешнюю ЭВМ. После этого шаговый двигатель 8 поворачивает призму АР-90 на заданный угол. При этом происходит поворот изображения в плоскости ФЭП. Компенсация смещения элементов производится программными методами.
Бескинематическая камера на практике реализуется объективом типа «рыбий глаз». Он формирует изображение в полярной системе координат. Для перевода изображения в стандартное телевизионное изображение используются программные методы.
Регистрации видеоинформации
В процессе панорамирования формируется так называемая факсимильная цифровая модель изображения (ФЦМИ). Структурная схема ПОЭУН при формировании ФЦМИ приведена на рис. 3.
Сцена Среда распространения
ф '
[хуг)
ФЭП щ\
Рис. 3. Структурная схема прохождения оптического сигнала в системе
Все элементы на рис. 3 являются оптическими фильтрами и влияют на качество сформированной ФЦМИ [5,6]:
источник света, параметры светового потока Ф(х,у,2) которого влияют на модул я пию светового потока отражающими поверхностями элементов сцены;
сцена, состоящая из элементов с отражающими поверхностями, обеспечивающими первичную модуляцию светового потока Ф(х, у, 2) источника;
среда распространения света, лежащая от отражающих поверхностей элементов сцены до ПОЭУН, изменяющая модуляцию светового потока и создающая поток Ф (х,у,2), достигающий входного зрачка объектива;
объектив, обеспечивающий формирование изображения в плоскости, в которой располагаются элементы ФЭП;
ФЭП с элементами конечных размеров, измеряющими яркость света В(У2,{), попадающего во входные зрачки элементов;
усилитель, фильтрующий электрический сигнал с выхода ФЭП, и, следовательно, оказывающий влияние на качество изображения.
Пространственно-частотная характеристика ПОЭУН
Она складывается из пространственно-частотных характеристик среды распространения света, объектива и входного окна ФЭП. Передаточные функции по координатам 2 и У имеют вид
= СВ ()Ср ()Ср (.№ );
СЪУ = (]®У )Ср (]®У )Ср (]®У )Са (]®У ).
Очевидно, что качество наблюдаемых изображений определяется качеством объектива, свойствами среды переноса сигнала, чувствительностью и шумами ФЭП.
В результате сканирования пространства формируется ФЦМИ, представляющая собой матрицу
В ('Пmn),
где г/ - яркость пикселя; т, п - его координаты; 0 < т < М - 1; 0 < п < N - 1.
Панорама
В рассматриваемом случае панорама складывается из кадров, расположенных по углу азимута через равные промежутки. Вследствие того, что аппаратная часть ПОЭУН не может отработать угол курса абсолютно точно, целесообразно формировать панораму таким образом, чтобы соседние кадры, частично перекрывались. При стыковке кадров необходимо обеспечивать слитность изображений, исключающую как пропуск, так и повторение сюжета. Для упрощения будем предполагать, что по углам места и крена смещение изображения пренебрежимо мало. При большой погрешности необходимо выделять реперные точки на изображении и применять предложенный в работе [7] математический аппарат обработки многокадровых моделей изображений. При предложенных допущениях стыковку кадров можно обеспечить с помощью следующего алгоритма.
Алгоритм 1.1. Стыковка кадров ФЦМИ
1. Присвоить параметру i значение i := 0, присвоить величине оп-
* 2 *
тимальной ошибки значение, равное е := Т]тп тах; i := i.
2. Определить текущее значение ошибки
значение пикселя, принадлежащего ^му кадру.
3. Сравнить е* > е, если неравенство выполняется, то 4, в против-
_ * *
номслучаеприсвоить г := /; е =8.
4. Присвоить г := г +1. Если г < гтах, то 2.
Величина гтах выбирается из следующих соображений. Например, если ФЭП имеет разрешением 2048*1536 пикселей, то большая сторона кадра должна быть сориентирована по углу места. Если причем каждый кадр перекрывает по углу азимута 15°, то в ПОЭУН формируется кадр длиной 36000 пикселей. В результате имеем 24 кадра размером 2048*1500 пикселей и перекрытие составляет 36 пикселей. Для надежности следует выбирать гтах с запасом.
После стыковки кадров из соответствующих пикселей формируется среднее значение, равное, с привязкой к индексам (к - 1)-го кадра:
В результате могут быть сформированы следующие алгоритмы функционирования ПОЭУН.
Алгоритм 1.2. Общий алгоритм функционирования ПОЭУН с оптической компенсацией поворота изображения
1. Позиционирование оптико-механического узла. В начальном положении главную оптическую ось совмещают с осью ОХ .
2. Присвоение индексу г значения г := 0.
3. Сканирование сцены в пределах кадра.
Запоминание кадра 2048*1536.
4. Присвоение индексу г значения г := г + 1. Если г < 24, то 3.
5. Определение ситуации: работа в режиме панорамирования или режиме обнаружения.
6. Работа в режиме панорамирования.
6.1. Присвоение индексу г значения г := 0.
где Т}М-1-г+1 п - значение пикселя, принадлежащего (к - 1)-му кадру; ^
I ,п
5. Конец.
*
,0 < I < г ,0 < п < N -1.
6.2. Сканирование сцены в пределах кадра.
Запоминание кадра 2048*1536.
6.3. Присвоение индексу г значения г := г + 1.
6.4. Сканирование сцены в пределах кадра. Стыковка кадров по алгоритму 1.1.
6.5. Присвоение индексу г значения г := г + 1. Если г < 24, то 6.4.
6.6. Конец режима панорамирования.
7. Работа в режиме обнаружения.
7.1. Присвоение индексу г значения г := 0.
7.2. Сканирование сцены в пределах кадра.
7.3. Сравнение сюжета кадра с сюжетом в памяти. Если имеются изменения, то сигнал тревоги, фиксация области, где имеются
изменения, идти к 7.5.
7.4. Запоминание кадра форматом 2048*1536.
7.5. Присвоение индексу г значения г := г + 1. Если г < 24, то 7.2.
8. Есть команда на выключение? если нет, то 5.
9. Конец.
Алгоритм 1.3. Общий алгоритм функционирования ПОЭУН без компенсации поворота изображения
1. Позиционирование оптико-механического узла. В начальном положении главную оптическую ось совмещают с осью ОХ.
2. Присвоение индексу г значения г := 0.
3. Сканирование сцены в пределах кадра. Запоминание кадра.
4. Присвоение индексу г значения г := г + 1. Если г < 24, то 3.
5. Определение ситуации: работа в режиме панорамирования или режиме обнаружения.
6. Работа в режиме панорамирования.
6.1. Присвоение индексу г значения г := 0.
6.2. Сканирование сцены в пределах кадра. запоминание кадра.
6.3. Присвоение индексу г значения г := г + 1.
6.4. Сканирование сцены в пределах кадра.
Разворот кадра в соответствии с зависимостью:
Ґх'
-Sin Іф cos Іф)\y где ф = 15°.
Стыковка кадров по алгоритму 1.1.
6.5. Присвоение индексу i значения i := i + 1. Если i < 24, то 6.4.
6.6. Конец режима панорамирования.
7. Работа в режиме обнаружения.
7.1. Присвоение индексу i значения i := 0.
7.2. Сканирование сцены в пределах кадра.
7.3. Сравнение сюжета кадра с сюжетом в памяти. Если имеются изменения, то сигнал тревоги, фиксация области, где имеются изменения, идти к 7.5.
7.4. Запоминание кадра.
7.5. Присвоение индексу i значения i := i + 1. Если i < 24, то 7.2.
8. Есть команда на выключение? если нет, то 5.
9. Конец.
Рассмотренные выше основные варианты устройств панорамного видеонаблюдения, функционирующие по представленным алгоритмам, позволяют установить практическую область их использования.
Список литературы
1. Смелков В.М. К вопросу построения телевизионной камеры для панорамного наблюдения // Спецтехника и связь. 2008. №1. С.12-17.
2. Фрост Ли. Панорамная фотография. М.: Арт-родник, 2005. 144 с.
3. Устройство для кругового сканирования: пат. 2355005 Рос. Федерация. №2007128502/28(031035); заявл. 24.07.2007; опубл.10.05.09. Бюл. № 13.
4. Устройство для кругового сканирования: пат. на полезную модель 88822 Рос. Федерация. № 2009131383.22; заявл. 17.08.09; опубл. 20.11.09. Бюл. №32.
5. Папулис А. Теория систем и преобразований в оптике/ под ред. В.И. Алексеева М.: Изд-во «Мир», 1971. 496 с.
6. Шульман М.Я. Измерение передаточных функций оптических систем. Л.: Машиностроение, 1980. 207 с.
7. Данилкин Ф.А., Котов В.В. Методы обработки многокадровых моделей изображений. Тула: ТулГУ, 2000. 96 с.
M.B. Tsudikov
PANORAMIC VIDEOMONITORING OF OBJECTS
The general structure panoramic optical device is designed. The generalarrangement diagrams of optical-mechanical clusters are designed. The optical and mechanical arrangement shemes are offered. Mathematical models of optical system are developed, general form of spatio-freguency response used for substantiation of image processing technigue is obtained.
Key words: videomonitoring, panning, optical filter, photoelectric converter, light dispersion.
Получено 03.10.11
