Методы и устройства формирования информационных сигналов в системах телевизионного контроля удаленных объектов

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 видеоконтроляобеспечивающих 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. Полученныепри1 этом i результаты теоретических, т экспериментальных исследований специфики искажений обеспечилиоснову для разработки эффективных методов и устройств формирования необходимых информационных сигналов и данных, представленных в диссертации. — ,.

Цель и задачи работы.

Целью?! настоящейдиссертационной 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 изображенийоценка, 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 — периодическийалгоритм 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.