CC BY
32
23 декабря 2011 г. 11:31
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Исследование методов формирования информационных сигналов во внутрикадровом пространстве для систем телевизионного контроля объектов
Игнатов Ф.М., Бусаев О.Г.
Фактически задача формирования информационных сигналов в системах видеоконтроля объектов определяется необходимостью обнаружения, например, во времени изменений в пространственной структуре контролируемого изображения. При этом чаще всего необходимо контролировать изменения в последовательности элементов во внугрикааровом пространстве. Собственно задача обнаружения изменений может быть реализована за счет обнаружения изменений в фиксированном числе участков (элементов) структуры ТВ изображения [1,3].
Величина периодов следования контролируемых участков (элементов) структуры изображения определяется многими факторами, большое значение, например, имеют относительная разрешающая способность датчика сигнала, уровень освещенности контролируемых объектов, весовая относительная оценка объектов в пределах кадра, контрастность по отношению к фону и тд.
К основным показателям, определяющим качество работы системы видеоконтроля объектов, следует отнести чувствительность и разрешающую способность. Чувствительность определяется минимально возможным уровнем сигнала контролируемого изображения (по отношению, например, к среднему сигналу фона), который обнаруживает система контроля.
В автоматической системе процесс обнаружен« объекта на окружающем фоне осуществляется не зрительным анализатором оператора по изображению на экране видео контрольного устройства, а пороговым устройством, контролирующим относительный уровень сигнала изменений. При этом должна быть обеспечена энерге-т^еская и контрастная чувствительность системы, т.е. минимальные значения входной энергии (освещенности) и входного контраста, при которых пороговое устройство регистрирует объект с заданной вероятностью [1,2].
Пороговый уровень, необходимый для обнаружен« объекта, определяется его протяженностью и контрастом по отношению к фону. Поэтому следует обеспечить накопление энергии путем уменьшения общего количества отсчетов за счет адаптивного согласования структуры их нанесения с пространственной спецификой изображений.
Локализация энергий элементов воздействия в отсчете позволяет увеличить в системах охранного телевидения эффективность контроля объектов с заданной относительной протяженностью за счет уменьшен« относительной энергии "фона", маскирующего контро-
В автоматизированной системе видеонаблюдения процесс обнаружения объекта на окружающем фоне осуществляется не зрительным анализатором оператора, а пороговым устройством, контролирующим относительный уровень сигнала изменений. Пороговый уровень, необходимый для обнаружения объекта, определяется его протяженностью и контрастом по отношению к фону. Поэтому следует обеспечил» накопление энергии путем уменьшения общего количества отсчетов за счет адаптивного согласования структуры их нанесения с пространственной спецификой изображений. Решение задачи опознавания связано с необходимостью обнаруживать не только крупные, но и мелкие структурные составляющие сигнала изменений изображения объекта.
лируемое воздействие [3].
Как уже отмечалось, от разрешающей способности и чувствительности зависит эффективность роботы системы видеоконтроля объектов. Чувствительность системы определяется отношением сигнал/ шум на входе порогового устройства .
При определении видеотракт можно считать линейнь^, а его полосу частот — близкой к полосе идеального фильтра нижних частот. Ошибки в оценке уровня преобразованного сигнала изменений за счет флуктуаций состоят из ложных тревог и пропусков.
Ошибки оценки за счет флуктуации сигнала изменений возникают при оценке кок положительных, так и отрицательных составляющих сигнала изменений.
Рассмотрим случай, когда объект контролируется на фоне шума. Будем считать, что шум, в связи с апертурными искажениями имеет распределение уровня спектра с подъемом в области высоких частот.
В качестве сигнала выбироем импульс в виде гауссовской функции, моделирующей мелкоструктурную деталь изображения. При этом границы минимальной протяженности гауссовской функции определим по точкам локализации максимума ее первой производной и зададимся условием: протяженность гауссовской функции должна быть такой, чтобы спектр соответствующей прямоугольной функции типа rect (t/T) был бы совмещен по положению своего первого нуля с чостотой в 6 МГц.
Как известно, точке максимума первой производной соответствует уровень гауссовской функции, равной 0,6065 от значения при t=0.
Тогда
Т-2п/ш=2л/2пй 10*= 166.661&9 с;
Р = в6^ (1)
Следовательно, в точке максимума первой производной:
р. в-»2'2 - 0,6065. 1 = Т/2 = 83,3510-9с 1„Р= -В212 = 1п 0,6065; в2 = -1п0,6065/(2 = 7,21013 Спектр данной исходной гауссовской функции описывоется соотношением:
Б(й)) = >/я/В- ехр-((02/ 4 В2). (2)
Если 5(0)= Э0, то Бн(со) = 5(<о)/50 = ехр-((о2/4В2). Соответствующая нормированная функция 5Н((0) показана на
РИС 1,6.
Обычно уровень флуктуационных помех в децибелах оценивают по величине:
T-Comm, #9-2011
87
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Р«)
Qed(li)
-: / •
/
6) -6*10* -»•№* -2* 10^ и *» 2*10* 4*10^ 6*10*
Рис.1. Исходный имгтупьс гауссовского вида (а -I), соответствующая прямоугольная функция (а - 2), спектр исходного импульса (б)
Ч^гадЦ/Ц, (3)
ид — действующее напряжение помехи;
1)с — уровень сигнала изменений.
При выборе некоррелированных мгновенных значение помехи У может быть оценено по множеству N выборочных значений Ц.
И)
Ложные тревоги имеют место при превышении порогового уровня ф/туктуациями фона. Для косвенной оценки характеристики значения этого параметра может использоваться соотношение, определяемое следующим образом:
^-и„/ишгвр, (5)
где ип — пороговый уровень компаратора; 1)шГ10р — среднеквадра-тичесхое значение шума на входе порогового устройства.
Пропуск сигнала имеет место, когда из-за флуктуаций сигнала последний не достигает уровня 1К Тогда для характеристики пропу-
ска используем величину:
ч* = и /и
о м' ш пэо
(6)
где им — уровень сигнала от мелкоструктурной составляющей сигнала изменений.
При постоянстве уровня шумов в системе требуемое отношение ситал/шум находят по формуле:
.|М -UI/U
(7)
Если положить, что разность 1)м — Ц, = Д1) равна одной градации ситапа, которая может быть зафиксирована компаратором, то отношение сигнал/шум приобретает характер порогового значения, те. Ч' - Ч* пор, достаточного для обнаружения не только крупных малоконтрастных деталей, но и возникновения достаточного по уровню сигнала изменений мелкой структуры в системе вцдеоконт-роля изображения.
Решение задачи опознавания связано с необходимостью обнаруживать не только крупные, но и мелкие структурные составляющие сигнала изменений изображения объекта. При этом вследствие
частотных искажений, имеющих место в объективе и фото преобразователе, приходится увеличивать отношение сигнал/шум на выходе компаратора от крупных малоконтрастных деталей до зночения Ч* > Ч^^р, при котором обеспечивоется и необходимая (согласованная с размерами возможных нарушений) разрешающая способность системы.
Как было показано, за счет увеличения уровня составляющей шума на верхних частотах ухудшается отношение сигнал/шум, поэтому необходимо подавление шумов. Один из способов подавления шумов — интегрирование или усреднение энергии отсчетов сигнала во внутрикодровом пространстве.
Влияние распределения энергии в элементе изображен« на способность преобразователя передавать мелкоструктурные составляющие сигнала изменений изображен« принято оценивать амплитудно-чостагной характеристикой (АЧХ). Под АЧХ понимается зависимость между глубиной модуляции сигнала М и размерами мелких деталей изображен«, которые обычно оцениваются числом телевизионных линий.
В системе видео контроля объектов находят широкое применение камеры черно-белого телевиден« на приборах с зарядовой связью. Для таких камер характерными являются апертурные искажения, которые, в основном, проявляются в горизонтальном направлении. Апертурные искажен« уменьшают соотношение сигнал/ шум в высокочастотной части спектра ТВ сигнала и вл«ют соответственно на качество формирован« информационных сита-лов во внутри кадровом пространстве при видеоконтроле объектов.
Для сигнала изображен« характерно ухудшение отношен« сигнал/шум на высоких пространственных частотах, что обусловлено спецификой функционирован« соответствующих преобразователей " свет — сигнал". Поэтому при формировании сигнала "нарушен«" в зоне охраны обычно используют пространственную фильтрацию. За счет этого в сигнале, подвергаемом дальнейшей обработке для выделен« информации, связанной с нарушением в зоне охраны, практически исключают высокочастотные пространственные составляющие сигнала изображен« и шума. Следовательно, снижается воздействие шумов на результаты обнаружения нарушений. Однако при этом возрастают, и минеральные пространственные размеры объектов изменен«, которых могут обнаруживаться в системе видеоконтроля как нарушен«.
Для увеличен« соотношения сигнал/шум предлагается подавлять шумы путем цифровой фильтрации. В основном апертурные искажен« определяют относительный уровень увеличен« шума в высокочастотной части спектра телевизионного сигнала. Поэтому оценим возможную степень усреднен« отсчетов сигнала изменений, обеспечивающую требуемое отношение сигнал/шум, с использованием АЧХ. При этом будем считать ее изотропной во внутрикодровом пространстве и осуществим анализ тонкой структуры АЧХ реального датчика на ПЗС [7,8].
На рис 2 (а, б, в) показана расчетная амплитудно-частотная характеристика датчика на ПЗС, как функц« частоты, которая оценивалась с использованием известного соотношен«:
\- 0,01278 N1, (8)
где N1 — число телевизионных линий.
На рис2(а) представлен график АЧХ — К(П, на рис. 2(6) показана нормированная функц« первой производной КДО, на рнс.2(в) изображена расчетная функц« второй производной, ее максимумом определяется начало среза АЧХ как фильтра низких частот. Чостота 1,917 МГц огран«ивает участок полосы пропускай« фильтра.
Таким образом, именно в диапазоне (> 1,9 МГц возникает падение отношен« си тал/ шум в ТВ сигнале по отношению к его мак-
88
T-Comm, #9-2011
