ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ

Телевизионные системы, предназначенные для общего наблюдения за пространством и для поиска в нем интересующих наблюдателя объектов, составляют основную группу систем прикладного телевидения, как по количеству выпускаемой и вновь проектируемой аппаратуры, так и по разнообразию решаемых ею задач. Наблюдательные системы служат для визуального или автоматического обнаружения и опознавания объектов и могут быть черно-белыми, цветными, стереоскопическими, аналоговыми или цифровыми.

С точки зрения экономической целесообразности желательно, чтобы система могла решать достаточно широкий круг задач, т. е. быть в значительной степени универсальной. Отсюда вытекает необходимость автоподстройки режима функционирования системы при изменении внешних условий наблюдения, таких как освещенность, расстояние до объекта и др. Универсальность использования характерна в основном для аппаратуры так называемого промышленного телевидения, выпускаемой, как правило, серийно. Наряду с такой аппаратурой в рассматриваемую группу входят специализированные системы: подводные, малокадровые, фототелевизионные, тепловизионные, спектрозональные и пр. Режим их функционирования выбирается обычно исходя из необходимости решения относительно узкого круга задач.

Телевизионные системы промышленного назначения

К промышленным телевизионным системам (ПТС) будем относить аппаратуру, предназначенную для визуального наблюдения и контроля за различного рода объектами, находящимися на улице, в цехах, торговых залах, офисах, операционных помещениях банков, на станциях метрополитена и т. д. Универсальность ПТС позволяет применять их в системах охранной сигнализации (системах безопасности), системах технического зрения и в качестве датчиков видеосигнала измерительных систем. Отличительной особенностью ПТС является работа в режиме стандартного разложения с чересстрочной разверткой. ПТС, как правило, предназна-

Структурная схема промышленной телевизионной установки

Рис. 9.1. Структурная схема промышленной телевизионной установки

чены для работы в видимом диапазоне спектра оптического излучения, но отдельные модификации рассчитаны на ультрафиолетовый, инфракрасный или рентгеновский диапазоны.

Структурные схемы современных ПТС весьма разнообразны и отличаются в основном набором элементов, количество и назначение которых диктуется выполняемыми задачами и допустимой, с позиций заказчика, стоимостью аппаратуры.

На рис. 9.1 представлена схема установки, в комплект которой входят четыре передающие камеры (ПК), два видеоконтрольных устройства (ВКУ), видеозаписывающее устройство (например, видеомагнитофон ВМ), два пульта управления (ПУ) и видео- коммутационный центр (ВКЦ). На ВКУ2 одновременно можно наблюдать изображения со всех четырех камер, на ВКУ1 выбор изображения с любой камеры осуществляется вручную или по заданной программе. Видеозаписывающее устройство подключается с любого пульта управления для регистрации интересующего наблюдателя объекта. Помимо основных элементов в состав аппаратуры могут включаться поворотные устройства камер, видеообнаружители нарушителей, инфракрасные осветители, средства маскировки камер и т. д. В зависимости от окружающей среды камеры могут термостатироваться, помещаться в герметичные, пылебрызгозащитные, рентгенозащитные, противовандальные или иные специальные корпуса. Следует отметить, что серийные камеры часто выпускаются без корпусов и объективов.

На рис. 9.2 представлена схема цифровой системы видеонаблюдения, управление которой и получение визуальной информации осуществляется с помощью компьютера 1. На компьютер поступает видеосигнал с трех передающих камер, количество кото-

Цифровая система видеонаблюдения

Рис. 9.2. Цифровая система видеонаблюдения

рых может быть увеличено путем присоединения через коммутатор (мультиплексор). Управление поворотным устройством 4 каждой камеры, а также при необходимости диафрагмой и фокусировкой объектива осуществляется с компьютера через контроллеры 2 и 3.

Для облегчения работы оператора и снижения вероятности пропуска событий в системе предусмотрен программный детектор движения, работа которого основана на сравнении последовательно поступающих кадров. Видеодетектор позволяет выделить из общей картины один или несколько объектов и контролировать их перемещение. Можно также осуществлять настройку на размер объекта и исключать срабатывание от посторонних предметов (например, летящих птиц, падающего снега, листопада и пр.). Такое устройство видеодетектора важно, в частности, для систем безопасности.

Обязательной для любой системы безопасности, так же как и для многих других систем, является цифровая видеозапись, с помощью которой удобно формировать видеоархив наблюдения. В качестве устройств хранения видеоархивов можно использовать различные накопители, в частности винчестер компьютеров. Видеозаписывающее устройство, будучи связанным с видеодетектором движения, может включаться как автоматически, так и ручным путем. Скорость видеозаписи, дата, время и другие параметры могут изменяться, что позволяет избежать заполнения видеоархива избыточной информацией.

В настоящее время в качестве фотопреобразователей для передающих камер ПТС в основном применяются матричные ПЗС. Передача полного ТВ-сигнала, формируемого в камере, производится по кабельным линиям связи либо в диапазоне частот, занимаемом видеосигналом, либо путем амплитудной модуляции одной из несущих частот, стандартизированных в ТВ-вещании. В последнем случае для воспроизведения изображений оказывается возможным использовать обычные телевизоры, а длина кабеля может достигать 1 км и более.

Передающие камеры ПТС часто комплектуются предприятия- ми-изготовителями стандартных объективов, предназначенных для работы в фото- и киноаппаратуре, хотя такую практику с технической точки зрения и нельзя считать оптимальной по двум причинам:

во-первых, хроматические аберрации таких объективов корректируются в области спектральной чувствительности кинопленки, существенно отличающейся от спектральной чувствительности большинства телевизионных фотопреобразователей;

во-вторых, при разработке фото- и кинообъективов не учитывается, что проецирование изображения на фоточувствительную поверхность производится в телевизионных камерах через переднее стекло колбы передающей трубки или защитное стекло матрицы.

При этом световые пучки, падающие под углами к оптической оси объектива, испытывают дополнительное преломление, что ухудшает разрешающую способность системы. Это явление сказывается тем больше, чем шире угол зрения объектива. В связи с этим отечественной промышленностью освоен выпуск ряда объективов, специально предназначенных для вещательного телевидения и в обозначение которых добавляется буква «Т», например, МИР-ЮТ. Однако эти объективы рассчитаны в основном для работы с трубками типа суперортикон, имеющими значительно больший размер фоточувствительной поверхности, чем видиконы и матрицы. Следует отметить, что в настоящее время практикуется выпуск матриц со стекловолоконным входом вместо обычного стекла, что позволяет легко сочленять их с ЭОП (см. гл. 3).

При согласовании параметров передающей камеры ПТС с условиями ее конкретной эксплуатации всегда приходится решать вопрос о выборе объектива или о соответствии установленного в камере объектива требованиям, вытекающим из решения поставленных задач. В первую очередь, выбор объектива следует производить исходя из заданного или заранее рассчитанного угла зрения камеры, связанного с фокусным расстоянием соотношением

где Ьф — ширина изображения на фотослое; (30 — угол зрения в горизонтальной плоскости.

Аналогично получим

где Нф — высота изображения; а0 — угол зрения в вертикальной плоскости.

При предварительном выборе углов Р0 и ао следует учитывать, что на краях поля зрения изображение получается менее резким и ярким, чем в центре, причем это явление зависит как от фокусного расстояния, так и от относительного отверстия D/f. Для определения угла резкого изображения |Зр можно воспользоваться эмпирическим соотношением [29]

На основании выражений (9.1) и (9.2) окончательно устанавливаются необходимый угол зрения объектива и его фокусное расстояние, по которому из справочных таблиц выбирается подходящий объектив [3].

При выборе объектива необходимо также принимать во внимание его разрешающую способность, которая не должна существенно ухудшать разрешающую способность фотопреобразователя и, следовательно, системы в целом. Эту задачу следует решать путем построения частотно-контрастных характеристик фотопреобразователя и объектива, а также других звеньев системы, их перемножения и затем нахождения результирующей разрешающей способности тр на известном уровне отсчета А (см. п. 1.3). Однако расчет ЧКХ объективов, зависящих от относительного отверстия, длины волны излучения и других параметров, представляет известные трудности, а база данных экспериментально снятых ЧКХ весьма незначительна. Поэтому для упрощения решения поставленной задачи можно ориентировочно воспользоваться паспортными данными фотографической разрешающей способности объектива Nqq, предварительно выразив ее в телевизионных линиях (твл) согласно формуле

где Нф — высота изображения на фотопреобразователе; Аоб, мм-1.

Желательно, чтобы т^ > (1,5-г-2,0)тр, причем значение тпр должно учитывать пространственно-частотные искажения не только фотопреобразователя, но и остальных звеньев системы (канала связи, кинескопа и др.) [3]. При выполнении этого неравенства потеря разрешающей способности за счет объектива при использовании 1 /3" матриц составляет в среднем не менее 10-15 %.

Определенную универсальность передающей камеры, позволяющую легко переходить от широких полей зрения, обеспечивающих общий обзор, к относительно узким полям, облегчающим опознавание объекта, придает вариобъектив. Промышленностью выпускается широкий набор вариобъективов, пригодных для использования с вид иконами и обладающих значительным диапазоном фокусных расстояний. Следует, однако, иметь в виду, что применение вариооптики значительно увеличивает габаритные размеры и массу камеры, а при наличии устройства дистанционного управления объективом усложняет ее конструкцию. Альтернативным решением в этом случае может быть использование узкопольного объектива и поворотного устройства, на котором крепится камера, позволяющая последовательно осуществлять широкий обзор пространства.

Практически во всех передающих камерах ПТС предусматриваются устройства, расширяющие диапазон передаваемых яркостей. В связи с этим отметим, что динамический диапазон большинства видиконов без перестройки рабочего режима обычно не превышает 50-100, а матриц ПЗС — 1000.

Вместе с тем для универсального применения передающих камер может понадобиться расширение динамического диапазона до 104-105. С этой целью помимо применения в видеоусилителе автоматической регуляции усиления в камерах на видиконах применяют устройства авторегулирования напряжения на сигнальной пластине [17], а в камерах на ПЗС — авторегулирование времени накопления зарядов. В обоих случаях рекомендуется также использовать оптические методы: автоподстройку диафрагмы объектива и регулировку пропускания специальных светофильтров, устанавливаемых перед фотопреобразователем. Действие всех регулирующих устройств заключается в том, чтобы при изменении освещенности объекта внутри заданного диапазона значения видеосигнала не выходили за пределы действующего рабочего участка светосигнальной характеристики ФЭП, причем сигнал от наиболее светлой градации яркости должен оставаться примерно постоянным. Отметим, что применение оптических методов и регулирования времени накопления зарядов в ПЗС направлено на стабилизацию экспозиции, сообщаемой ФЭП:

где Е — освещенность ФЭП; tH — время накопления заряда.

Структурная схема управления диафрагмой объектива

Рис. 9.3. Структурная схема управления диафрагмой объектива

Для управления диафрагмой объектива может использоваться видеосигнал, подаваемый на пиковый детектор, постоянное напряжение с которого после усиления поступает на балансную дифференциальную схему (рис. 9.3). При изменении освещенности фотопреобразователя сигнал также изменяется и на выходе балансной схемы образуется управляющее напряжение соответствующего знака.

В рассмотренном случае стабилизация тока сигнала в пределах ± 20 % осуществляется при изменении освещенности объекта до 500 раз.

В более широких пределах изменения освещенности (примерно до 104 раз) можно стабилизировать видеосигнал на выходе ФЭП с помощью различных электрооптических светофильтров, изменяющих свою прозрачность под действием прикладываемого к ним напряжения. Твердотельный светофильтр, работающий с использованием эффекта Керра, отличается малой инерционностью, широкими пределами регулирования светопропускания, но требует подачи высоких управляющих напряжений (до 800 В) и обладает большим светопоглощением. Светофильтры на основе электрохром- ных материалов, наоборот, обладая высокой инерционностью (до нескольких секунд), управляются низкими напряжениями, измеряемыми единицами вольт.

В импульсных системах выходной сигнал можно стабилизировать, изменяя длительность экспонирования фотопреобразователя, для чего перед ним устанавливается электрооптический затвор. В качестве затвора можно применить электронно-оптический преобразователь или жидкокристаллическую ячейку. В су- перкремниконе в качестве электронного затвора используют секцию переноса изображения, в которую добавляют специальный электрод.

Время накопления зарядов tH с целью стабилизации величины видеосигнала удобно регулировать в матричных ПЗС путем автоматического управления длительностью импульсов, поступающих в накопительную секцию. На рис. 9.4, а представлена схема управления, примененная в камере КТП-79, позволяющая стабилизировать видеосигнал при изменении освещенности матрицы от 4 до 20 лк.

Схема вырабатывает импульсы напряжения с длительностью, зависящей от величины видеосигнала, поступающего на вход операционного усилителя У1 с выхода видеоусилителя. С помощью пикового детектора VD1, VD2, С5 видеосигнал преобразуется в постоянное напряжение, которое подается на усилитель постоянного тока (операционный усилитель У2). Выходное напряжение регулируется резистором R4, изменяющим чувствительность схемы. С выхода У ПТ напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на операционном усилителе УЗ. На инвертирующий вход компаратора поступает пилообразное напряжение, формируемое ждущим генератором, собранным на транзисторах VT1 и VT2 и конденсаторе С6 (транзистор VT2 служит для стабилизации тока заряда конденсатора с целью повышения линейности пилообразного напряжения). Генератор пилообразного напряжения управляется кадровыми гасящими импульсами U^, как это показано на рис. 9.4, б). В момент времени происходит сравнение двух напряжений ?/2 и ?/3 и на выходе компаратора формируется двухполярный сигнал управления С/4, который затем ограничивается диодом VD4 и преобразуется в однополярный сигнал ?/5.

К числу автоматических устройств, применяемых в передающих камерах ПТС, относятся устройства автоматической фокусировки объектива при изменениях расстояния до плоскости наблюдения. Очевидно, что автоматическую фокусировку целесообразно применять в тех случаях, когда глубина резкости изображаемого пространства недостаточна (например, при использовании длиннофокусных объективов). Критерием расфокусировки обычно служит информация о резкости или детальности изображения, которым в видеосигнале соответствует уровень высокочастотных составляющих спектра. Для получения сигнала управления (сигнала ошибки) указанную информацию необходимо иметь, как минимум, при двух положениях объектива. На рис. 9.5 представлена структурная схема системы автофокусировки, в которой в качестве характеристики управления используется детальность многоградационного изображения, определяемая как

Схема формирования сигнала управления чувствительностью матричного ПЗС (а) и эпюры напряжений (б)

Рис. 9.4. Схема формирования сигнала управления чувствительностью матричного ПЗС (а) и эпюры напряжений (б)

Структурная схема устройства автофокусировки объектива

Рис. 9.5. Структурная схема устройства автофокусировки объектива

где Uc — напряжение видеосигнала; Тк — время кадра.

Принцип действия системы основан на том, что в сфокусированном состоянии объектива детальность изображения должна быть максимальной. Видеосигнал с выхода камеры ПК подается на формирователь Ф, в котором производятся операции дифференцирования, усиления и ограничения в соответствии с заданным порогом. Импульсные сигналы, превышающие порог ограничения, поступают через делитель частоты ДЧ в счетчики С1 и С2. Делитель частоты уменьшает количество импульсов напряжения до значения, отвечающего емкости счетчиков. Счетчики служат для суммирования импульсов и запоминания значения Пи. В счетчике С1 запоминается значение детальности, соответствующее одному положению объектива, в счетчике С2 — другому положению. Для получения второго значения необходимо переместить объектив на некоторое расстояние, что осуществляется периодической посылкой специального испытательного сигнала. Оба значения детальности сравниваются между собой в устройстве сравнения УС, и в зависимости от знака полученного результата объектив перемещается либо в том же направлении, либо в обратном с помощью исполнительного устройства ИУ.

Недостатком рассмотренного устройства является ухудшение условий наблюдения при испытательных перемещениях объектива. Поэтому в телевизионном датчике рекомендуется предусматривать отдельный канал автофокусировки.

Если наблюдателя интересует один или несколько конкретных объектов, расстояние до которых может изменяться независимо от общей обстановки, можно использовать метод автофокусировки объектива, основанный на применении импульсного лазерного дальномера. Маломощный полупроводниковый лазер посылает в направлении объекта пучок ИК-лучей малой расходимости. Отраженный сигнал принимается фотоприемником, и полученная информация после обработки используется для формирования управляющего сигнала.

Применение в телевизионном датчике импульсного светодаль- номера в сочетании с вариообъективом позволяет осуществить специальные регулировки, направленные на сохранение постоянного масштаба изображения, т. е. его размеров, и осуществление беспропускного режима наблюдения в малокадровых и импульсных телевизионных системах при непрерывном изменении расстояния до объекта. Сохранение выбранного масштаба изображения способствует решению задач обнаружения, опознавания и контроля параметров различных объектов, а также необходимо при использовании телевизионной системы для картирования местности, измерения площади нефтяных загрязнений моря и решения других задач.

На рис. 9.6 показана структурная схема устройства управления вариообъективом, позволяющая поддерживать постоянство масштаба изображения путем изменения фокусного расстояния, т. е. угла зрения оптической системы. Входные импульсы, поступающие от светодальномера, временной интервал между которыми адекватен расстоянию до объекта, подаются через формирователь ФИ на триггер Т. На выходе триггера образуется прямоугольный импульс, который в схеме совпадения СС заполняется тактовыми импульсами, поступающими от генератора ГИ. Получающаяся на выходе схемы совпадений пачка импульсов преобразуется с помощью счетчика СИ в двоичный код. Число разрядов счетчика должно выбираться в зависимости от необходимой точности преобразования расстояния до объекта в двоичный код. Цифровой сигнал декодируется затем в ЦАП и в аналоговой форме через усилитель У управляет приводным устройством ПР вариообъектива ВО.

Структурная схема устройства управления вариообъективом

Рис. 9.6. Структурная схема устройства управления вариообъективом

Применение в устройстве управления двойного преобразования типа «аналог—код» и «код—аналог» позволяет достаточно простыми средствами и с заданной точностью регулировать фокусное расстояние вариообъектива в широком интервале изменения расстояний от телевизионного датчика до объекта наблюдения.

Дальность действия телевизионной системы наблюдения

в атмосфере

Применение телевизионной аппаратуры для наблюдения за объектами, находящимися вне помещений, требует учета влияния атмосферы на дальность наблюдения. При определении дальности наблюдения за объектами следует учитывать, что, во-первых, происходит ослабление потока излучения воздушной средой и, во-вторых, снижается контраст изображения объекта на входе системы, что обусловлено рассеивающим свойством атмосферы и, как правило, является определяющим дальность наблюдения h.

Контраст на входе системы наблюдения равен

или, поскольку L0 = Ер/п, LH = Ew/n,

Графики для определения дальности телевизионного наблюдения h в атмосфере где K — контраст объекта с фоном; L — яркость объекта или фона

Рис. 9.7. Графики для определения дальности телевизионного наблюдения h в атмосфере где KQ — контраст объекта с фоном; L0 — яркость объекта или фона (большее значение); LH — яркость насыщенного слоя атмосферы (яркость неба у горизонта); р — коэффициент отражения объекта или фона; w — коэффициент погоды; е — показатель ослабления лучистого потока слоем атмосферы толщиной 1 км; Е — освещенность объекта и фона.

Коэффициентом погоды w называется отношение яркости LH неба у горизонта к яркости горизонтальной абсолютно белой поверхности, освещенной суммарным дневным светом. Значение коэффициента погоды зависит от метеорологических условий и может быть как меньше, так и больше единицы.

Из второго уравнения находим искомую дальность наблюдения:

На рис. 9.7 представлены расчетные графики для определения дальности наблюдения, отвечающие выражению (9.3).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >