Дискретно-аналоговые методы повышения информационной способности телевизионных камер и обнаружителей движения на ПЗС для промышленного видеонаблюдения и телевизионной охраны

Уже второе десятилетие Россия живет в условиях новой экономической реалии, одним из показателей которой является либерализация внутреннего рынка, в т. ч. и купли-продажи систем невещательного (прикладного) телевизионного наблюдения. На российском рынке появилась продукция, как передовых западных фирм, так и отечественных фирм-однодневок, которые во имя собственного обогащениямятся сбыть здесь ненужные и некачественные изделия.

Другим обстоятельством, бесспорно влияющим на состояние телевизионной техники, является стремительное наступление средств компьютерной обработки сигналов, которым отводится решающая роль в информационной революции на рубеже второго и третьего тысячелетий. В настоящее время на мировом рынке наблюдается настоящий бум по внедрению цифровых технологий в телевизионные системы. По мнению экспертов [1], такой перелом в рыночной ситуации связан, в первую очередь, со следующими факторами: падением стоимости хранения 1 Мбайта на жестких дисках и других носителях и доступностью мощных вычислительных средствразвитием и удешевлением аппаратных и программных средств, ориентированных на работу с видеосигналами.

Эти факторы обусловили появление на рынке значительного числа новых телевизионных систем, которые, в зависимости от объема используемых в них технических средств (приборов), стали называть «компьютерными видеосистемами» или «цифровыми системами».

Применяемые в этих системах телевизионные камеры приобрели статус «цифровых камер». Но если в настоящее время отсутствует строгое определение понятия «цифровая камера», то их «верхняя планка» известна. Это сетевые камеры, которые имеют сетевой интерфейс и поддерживают коммуникационные протоколы, позволяющие передавать видеоинформацию в цифровой форме по внутренним (локальным) сетям и Internet. В сетевых камерах реализована концепция «камера-устройство записи» в одном приборе с выполнением видеонакопителя на жестком диске (HDD). Возможности сетевой камеры DSR-C100P фирмы Sanyo (Япония) сообщаются в работе [2]. Это полностью цифровое устройство, с ПЗС-матрицей Уг дюйма, состоящей из 1,5 миллионов пикселей. Емкость HDD — 10,2 Гбайт. При поступлении от извещателя охранной сигнализации сигнала тревоги на вход камеры, на HDD сохраняется информация, собранная в течение 85 минут, предшествующих этому событию (так называемая запись Pre-alarm recording).

По сути, такая камера представляет собой законченный комплекс видеонаблюдения, неразрывно связанный с компьютером. Если к концепции «глаз — это вынесенная наружу часть мозга» давно привыкли, то становится очевидным, что подобная телекамера — это вынесенная наружу часть компьютера [3].

Известно, что телевидение, дополняющее зрение человека, как и его мышление, основано на образах. Новая теория связи [4] утверждает, что только отношение образов даёт познание об истинных отношениях объектов (вещей), поэтому информация является нескалярной величиной, т.к. должна оцениваться не только количественно. Как показано в главе 1 настоящей работы, информационное равновесие, определяемое информационным уравнением, соответствует количеству и качеству информации, необходимой для создания образа объекта.

Информационное уравнение имеет ряд решений, соответствующих оптимальным системам [4], но не указывает оптимального пути для их достижения. Оптимальными системами могут быть и аналоговые (непрерывные) системы, и дискретно-аналоговые системы, и цифровые системы. Поэтому остаётся полная свобода для изобретательства системы и, следовательно, и для разработчика источника информации телевизионной системы, каковым является датчик телевизионного сигнала, а его типовыми представителями — телекамера и обнаружитель движения на базе матрицы | приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС).

В настоящей работе синонимом термина «рост нескалярной информации, создаваемой телекамерами и обнаружителями движения, принят термин — «повышение информационной способности» этих приборов. Этому можно дать следующее обоснование. В информационном уравнении информация выражена в энергетических единицах. При этом справедливо считается, что «информация по смыслу ближе к действию в концепции познания, чем физическая энергия» [17]. С другой стороны, словарь русского языка Ожегова даёт толкование термина «способность» и как «умение, а также возможность производить какие-нибудь действия».

Значит, повышение информационной способности телекамер и обнаружителей движения можно толковать как «повышение их возможностей по выполнению функциональных действий (функциональных обязанностей)».

Всё сказанное выше следует дополнить тем, что видеосигнал на выходе матрицы ПЗС имеет дискретно-аналоговую форму, а методы работы с её сигналом изображения в зарядовой форме (до выходного преобразователя «заряд — напряжение») гарантируют торможение шумовой информации независимо от наличия или отсутствия последующего аналого-цифрового преобразования по видео.

Настоящая работа является логическим продолжением кандидатской диссертации автора по применению ПЗС-матриц в аппаратуре промышленного телевидения [20]. Сегодня, в начале нового века, эксплуатационные возможности отечественных промышленных телевизионных установок (ПТУ) значительно возросли. Предлагаются ПТУ, выполняющие телевизионное наблюдение за производством во взрывоопасных и химически агрессивных средах, а также в условиях повышенных температур [94]. ПТУ выполняют неразрушающий контроль качества литья, сварки и других техпроцессов с использованием проникающего рентгеновского излучения [47, 48, 50, 71, 72], контролируют интерференционную картину (интерферограмму) оптических изделий непосредственно при их изготовлении [74,75,76].

Благодаря фотоприёмнику на ПЗС-матрице, в телекамере реализован режим однократного формирования сигнала изображения [68], что позволило ей стать и устройством для телевизионного фотографирования объектов контроля. Телевидение стремительно овладевает охранными функциями [21, 98], а в системах телевизионной охраны (СОТ) появились специализированные датчики телевизионного сигнала — обнаружители движения на ПЗС [15].

В процессе выпуска ПТУ и СОТ изготовитель проводит их испытания [11, 14] по тест-таблицам, которые описываются детерминированными функциями с известной формой. В реальной же ситуации при практической эксплуатации ПТУ и СОТ имеет место априорная (доопытная) неопределенность сюжетов на объекте, воздействующих на видеосигнал телевизионного датчика. Значит, датчик должен быть готов к этой неопределённости и способен её преодолеть.

Постановка проблемы априорной неопределённости сюжета представлена на рисунке В1. Рассмотрим отдельные её примеры.

Априорная неопределённость сюжетов по контрасту на границе объекта и фона имеет место в интроскопии для телекамер ПТУ, контролирующих видимое теневое изображение при радиационном просвечивании объекта с неизвестными характером повреждений (дефектов). Другой областью телевизионного наблюдения с неопределённостью по ансамблю контрастов является контроль интерферограмм оптических устройств, когда на точность их формирования могут повлиять случайные колебания (вибрации), имеющие место в процессе производства.

При эксплуатации ПТУ неоднократно встречается априорная неопределённость сюжетов, наблюдаемых датчиками телевизионного сигнала в широком диапазоне изменения освещённости или яркости контролируемых объектов. Эта ситуация сложной освещённости или сложной яркости возникает для телекамер ПТУ, работающих в зонах контроля расплава стекла или металлапри наблюдении процессов сварки, включая её ведение в автоматическом режиме, и т. д.

На практике это приводит к увеличению в составе ПТУ числа телекамер, наблюдающих «свой сюжет» без искажений.

Рисунок В1. Постановка проблемы априорной неопределённости сюжета.

Если это по экономическим соображениям невозможно, то необходимо согласиться с существенными искажениями в предлагаемой оператору видеоинформации, принимая и полную потерю отдельных фрагментов кадра.

Для СОТ типичным примером появления такой эксплуатационной проблемы можно считать телевизионный контроль за входящими в помещение людьми в яркий солнечный день при помощи охранной телекамеры, размещаемой внутри — напротив входной двери. На рисунке В2, вверху — а) и б), представлены типичные изображения, которые формирует в этой ситуации обычная телекамера на ПЗС с электронным затвором или автоматической диафрагмой. Эти иллюстрации показывают, что современная телекамера на ПЗС, снабженная автоматической регулировкой экспозиции сигнала, к сожалению, не позволяет передать детали изображения. На рисунке В2 а) «потеряны» темные сюжетные участки. Их можно восстановить (см. рисунок В2 б), но ценой потери информации для светлых участков путем изменения порога срабатывания автоматической регулировки при неизменном и ограниченном динамическом диапазоне. На рисунке В2 в) показано ожидаемое изображение от телекамеры с расширенным динамическим диапазоном, которая успешно решает поставленную проблему преодоления априорной неопределенности сюжета.

Цель диссертационной работы заключалась в поиске способов практического исследования и изобретательского моделирования, которые направлены на рост нескалярной информации, создаваемой датчиком телевизионного сигнала в процессе её рождения. При этом имеют место условия ужесточения предъявляемых эксплуатационных требований со стороны объекта контроля, вплоть до возможности ситуации априорной неопределённости сюжета по освещённости. а).

Обычная камера внутри снаружи.

Для наблюдения объектов снаружи диафрагма закрыта, при этом объекты внутри получается темными.

Обычная камера внутри б) снаружи.

Чтобы увидеть объекту, расположенные внутри {при задней засветке), нужно открыть диафрагму объектива. При этом объекты снаружи находятся за пределами динамического диапазона.

В).

Динамический диапазон супердинамической камеры в 40 раз шире обычной камеры Это позволяет наблюдать детальное изображение (и внутри и снаружи) даже в случае сложного освещения.

Супердинамическая камера.

Рисунок В2 Телевизионное наблюдение и изображения в условиях сложного освещения. а) и б) — результаты сегодня, в) — ожидаемый результат завтра.

В первой главе диссертации выполнен экспресс-анализ ситуации на российском рынке систем прикладного телевидениярассматриваются современные технические средства охраны периметров и мотивация развития отечественной аппаратуры через «призму» внедрения нового стандарта ГОСТ Р511 558−2000; даётся оценка телекамеры на фотоматрице ПЗС как источника информации с позиции теории связиприводится современная классификация фотоматрицформулируются частные задачи исследования.

Вторая глава посвящена исследованиям характеристик фотоматриц ПЗС применительно к задачам ПТУ и СОТ. В ней определена эквивалентная схема матрицы ПЗС с кадровым переносом в режиме однонаправленного переносарассматривается организация в матрице ПЗС режима ненаправленного переноса зарядов и определяется эквивалентная схема фотоприемника в этом режимеоцениваются пределы регулирования времени накопления и считывающей апертурыприводится вывод формулы динамической частотно-контрастной характеристики фотоприемника.

В третьей главе диссертации изложены новые методы схемотехнических решений, направленных на повышение информационных параметров телекамер для ПТУ и СОТ. В ней приводится техническое обоснование и реализация метода автоматической компенсации искажений видеосигнала, сопутствующих условиям сложного освещенияметода минимизации искажений изображения при работе в условиях равномерной световой перегрузки фотоприёмникаметода локального контрастирования изображения при помощи матрицы ПЗСметода временного «сжатия» видеосигналов и электронной «сшивки» изображенийметода автоматического экспонирования ПЗС по видео в режиме однократного формирования сигнала изображенияметода формирования изображения интерферограммметода оптико-электронного масштабирования.

В четвертой главе диссертации рассмотрены новые методы повышения информационной способности обнаружителей движения на ПЗС-матрицах для СОТ. В ней дается оценка условий автоматической регистрации динамичных объектов обнаружителем движенияприводится техническое обоснование и реализация метода повышения точности межкадрового вычитания путем регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников и метода зарядовой фильтрации при выполнении межкадровой обработки с целью устранения ложных срабатываний от мелких (паразитных) объектов.

В пятой главе диссертации анализируется авторский опыт внедрения отдельных промышленных образцов и серийных изделий телевизионной техники данного направления. В ней приводятся результаты разработки первой отечественной ПТУ на ПЗС — ПТУ «Матрица" — коррозионностойкой телекамеры КТП-236 для телевизионного наблюдения за технологическим процессом в химически агрессивной средетелевизионной системы наблюдения за горячим прокатом, помогающей оператору в ликвидации трудностей «нехватки времени и рук" — телевизионной системы СТ-О-12 для скрытого наблюдения и автоматизированной охраныопубликованы экспериментальные данные по оценке требуемого отношения сигнал/ шум для автоматического обнаружения нарушителя системой СТ-О-12.

5.5. Выводы и рекомендации.

ФГУП «НИИ промышленного телевидения «Растр», разработав в 1981 г. ПТУ «Матрица», имеет приоритет в создании первой отечественной промышленной телевизионной установки с камерой на ПЗС. Десятилетний опыт эксплуатации (1983;1993 г. г.) ПТУ «Матрица» у потребителей показал высокую надёжность, быструю окупаемость и удовлетворительные технические характеристики.

Накопленный опыт внедрения изделия «Матрица» был активно использован для последующего совершенствования ПТУ.

ФГУП «НИИ промышленного телевидения «Растр» освоил в 2000 г. телевизионную систему скрытого наблюдения и автоматизированной охраны СТ-О-12. В системе реализован метод оптико-электронного масштабирования изображения (см. главу 3 настоящей работы), благодаря которому обеспечивается автоматическое формирование увеличенного изображения зоны нарушения при практически мгновенном реагировании на тревожное событие. Экспериментально доказано, что телевизионная система СТ-О-12 может обнаружить подвижный объект и выдать сигнал тревоги при отношении сигнал/шум 16,4 дБ, что хорошо согласуется с теоретическим расчётом (см. главу 4).

ФГУП «НИИ промышленного телевидения «Растр» разработал и освоил в течение 1998;1999 годов телевизионные системы наблюдения за технологическим процессом в химически агрессивной среде, которые могут быть использованы для обеспечения контроля за процессом уничтожения химического оружия. В составе этих систем применяется коррозионностойкая камера КТП-236, в которой обеспечивается формирование комбинированного изображения в режиме «увеличенная картинка в картинке» по методу оптико-электронного масштабирования (см. главу 3 диссертации).

В настоящее время в «НИИ промышленного телевидения «Растр» разработана модификация телевизионной камеры КТП-236М для системы бесконтактного контроля размеров при перемещении горячего проката относительно неподвижной линейки. Производительность труда оператора может быть существенно увеличена, т. к. ему предоставляется возможность одновременно видеть в удобном для зрения масштабе общий план технологической обстановки, передний конец проката и деления на линейке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполнения диссертационной работы, имеющей прикладное значение, получены следующие основные результаты:

1. Определена физическая модель фотоматрицы ПЗС в режимах однонаправленного и ненаправленного переноса зарядов.

2. Доказана эффективность дискретно-аналоговой обработки сигнала изображения в ПЗС-фотоприемнике в зарядовой форме.

3. Разработаны семь новых дискретно-аналоговых методов повышения информационной способности телевизионных камер на ПЗС для ПТУ и СОТ, в том числе:

3.1. Метод автоматической компенсации искажений телекамеры от засветок объекта сзади. Предложено техническое решение телекамеры с предупреждением искажений видеосигнала на базе трехсекционной матрицы ПЗС с двумя выходными регистрами, которое обеспечивает расширение динамического диапазона по сравнению с обычной камерой, не уступая по потенциальным возможностям цифровой технологии «Super dynamic» японской фирмы Panasonic, но по отношению к ней обладает реальными технико-экономическими преимуществами.

3.2. Метод минимизации искажений телекамеры при работе в условиях световой перегрузки. Предложено техническое решение телекамеры на базе двух ПЗС-фотоприемников, которое в условиях освешенности сцены 100 000 лк обеспечивает отношение сигнал/ помеха от «смазывания» изображения 100 раз (40 дБ).

3.3. Метод локального контрастирования изображения при помощи ПЗС-матрицы. Предложено техническое решение формирователя сигнала изображения, которое обеспечивает повышение детальности предъявляемых оператору малоконтрастных изображений за счет получения эффекта подчеркивания границ контролируемых объектов или эффекта их оконтуривания.

3.4. Метод временного «сжатия» видеосигналов и электронной «сшивки» изображений. Предложено техническое решение телекамеры, которое путем организации развертки матрицы ПЗС в заданном квадранте растра позволяет при последовательном соединении четырех подобных камер построить ПТУ или СОТ, формирующую четыре независимых изображения на одном телевизионном экране без применения квадратора и с повышением чувствительности системы в 4 раза.

3.5. Метод автоматического экспонирования ПЗС в режиме однократного формирования сигнала изображения. Предложено техническое решение устройства однократного формирователя сигнала изображения с автоматическим выбором длительности времени накопления матрицы ПЗС путем неразрушающего измерения зарядового рельефа на мишени фотоприемника при параллельном контроле его темнового тока.

3.6. Метод формирования изображения интерферограмм. Предложены технические решения телекамер на матрице ПЗС в режимах импульсного и непрерывного экспонирования для контроля интерференционной картины при производстве оптических изделий.

3.7. Метод оптико-электронного масштабирования изображения. Предложены технические решения телекамер, которые обеспечивают формирование комбинированного изображения в режиме «увеличенная картинка в картинке» без вариообъектива и без потерь четкости.

4. Разработаны два новых метода повышения информационной способности обнаружителя движения на ПЗС для СОТ, в том числе:

4.1. Метод регистрации изменений на основе двух ПЗС-фотоприемников. Предложено техническое решение обнаружителя движения на базе двух ПЗС-матриц, которое обеспечивает повышение точности регистрации человека-нарушителя путем уменьшения ошибки межкадрового вычитания и исключения ложных срабатываний при импульсных всплесках освещенности.

4.2. Метод зарядовой фильтрации при выполнении межкадровой обработки. Предложено техническое решение обнаружителя движения на основе трехсекционной матрицы ПЗС с двумя выходными регистрами, которое обеспечивает устранение ложных срабатываний от мелких (паразитных) динамичных сюжетов за счет зарядовой фильтрации изображений в фотоприемнике с одновременным увеличением отношения сигнал/ шум от среднеи крупноструктурных изменений на объекте.

5. Общим результатом разработанных методов является снижение шумовых или ложных сигналов, а, следовательно, повышение качества создаваемой телекамерами и обнаружителями движения на ПЗС видеоинформации.

6. Оригинальность опубликованных в диссертации методов защищена шестнадцатью патентами Российской Федерации и одним авторским свидетельством СССР, а всего по теме диссертации получено двадцать патентов [36, 45, 58, 66, 70, 73, 77, 79, 83, 84, 85, 86, 87, 90, 92, 96, 104, 105, 110, 126], пять авторских свидетельств [34, 52, 64, 106, 107] и семь решений о выдаче патентов [42,43, 56, 57,65, 67,91].

7. Предложенные технические решения телекамер и обнаружителей движения на ПЗС обладают новизной и изобретательским уровнем, а их составные блоки освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.

8. Осуществлено промышленное внедрение проведенных исследований в телевизионную аппаратуру, в число которой входят:

8.1. Первая отечественная ПТУ на ПЗС — ПТУ «Матрица», серийно выпускавшаяся головным заводом Новгородского НПО «Волна» с 1983 по 1993 годы.

8.2. Телевизионная система наблюдения ТСН-12, два комплекта которой работают в технологически непрерывном (круглосуточном) режиме производства нитроаммофоски ОАО «Акрон» (г. Великий Новгород) с 1999 года по настоящее время.

8.3. Коррозионностойкая телекамера КТП-236, опытный образец которой прошел предварительные и приемочные испытания в составе типовых структур телевизионных систем, выпускаемых ФГУП «НИИ промышленного телевидения «Растр».

8. В диссертации решена поставленная проблема преодоления априорной неопределенности сюжетов, наблюдаемых телевизионными камерами на ПЗС в широком диапазоне изменения условий освещения и динамики контролируемых объектов, для использования в составе систем промышленного телевидения (ПТУ), работающих во взрывоопасных, химически агрессивных средах, в условиях высокотемпературных печей и т. д., а также для применения в разнообразных системах охранного телевидения (СОТ).

9. Отдельные результаты диссертации использованы в отчетах о научно-исследовательских работах, проводимых ФГУП НИИПТ «Растр» и ГУ «Новгородский научно-координационный центр» в период с 1996 по 2001 гг. Достоверность использования подтверждена 7-ю актами внедрения.