1.2 Требования, предъявляемые к телевизионным измерительным системам В отличие от телевизионных систем визуального наблюдения, решающих задачи неискаженной передачи на расстояние и качественного воспроизведения визуальной информации, основной задачей измерительного телевидения является извлечение количественной информации об объектах, находящихся в поле зрения ТВД, с целью е использования для конкретных задач контроля и управления. Телевизионные измерительные системы (ТИС) предназначены для дистанционного автоматического контроля за состоянием пространства в угле поля зрения ТВД, измерения параметров совокупности объектов, находящихся в контролируемом пространстве, и при необходимости для управления состоянием и взаимодействием этих объектов. Это позволяет отнести к ТИС широкий класс приборов и устройств, используемых в прикладном и промышленном телевидении для сбора и обработки разнообразной информации, а также для контроля и управления технологическими процессами в составе робототехнических комплексов.

ТИС делятся на автоматизированные (или полуавтоматические), в которых необходимо наличие оператора для работы системы, и полностью автоматические функционируют без участия оператора.

При составлении технического задания на разработку какойлибо ТИС, а также технических условий е применения необходимо сформулировать ряд основных параметров и характеристик, к числу которых относятся следующие [1]:

Точностные параметры и характеристики (характеристики измерения, обнаружения, распознавания). Применительно к среднеквадратических или предельных погрешностях измерения, о стабильности метрологических параметров и т. п. Применительно к ТИС, решающим задачи предварительного обнаружения или распознавания объектов, обычно указываются такие параметры как допустимая вероятность ложного обнаружения (ложной идентификации) и, наоборот, вероятность пропуска (неопознавания) объектов при условии его нахождения в зоне наблюдения. В качестве характеристик обнаружения (распознавания) используются, например, зависимости правильного обнаружения (распознавания) от отношения сигнал/шум (при фиксированных значениях допустимой вероятности ложного обнаружения, ложной идентификации) и др.

Функциональные параметры. Число и вид измеряемых величин (или объектов наблюдения), диапазон измеряемых величин, время измерения (обнаружения или распознавания объектов), готовность к работе после включения, степень автоматизации контроля выходных величин и др.

Эксплуатационные параметры. Температурный диапазон, допустимый уровень механических воздействий (ударов, вибраций), наджность системы, возможность е адаптации или самоадаптации при изменении условий наблюдения. Габариты, масса, потребляемая мощность и др.

Экономические показатели. Стоимость отдельных компонентов и системы в целом, степень их унификации и др.

Следует помнить, что под параметром понимают численное значение какой-либо величины, отражающей определнное качество системы (например, среднеквадратическая погрешность измерения);

характеристика представляет собой зависимость того или иного параметра от изменения одного из внешних факторов (например, зависимость среднеквадратической погрешности от температуры).

ТИС можно разделить на три основных типа: регистрирующие, с адаптацией и управляющие. Схема ТИС регистрирующего типа приведена на рисунке 1.7.

ТВД ИБ УИР

В случае, когда размеры объекта, его местоположение, освещенность и другие параметры могут изменяться в широких пределах, целесообразно использовать более совершенные ТИС с адаптацией к условиям наблюдения (рисунок 1.8). В системах такого типа, по сравнению с уже известной структурой введен дополнительно контур адаптации, состоящий из формирователя управляющих сигналов (ФУС) и исполнительного устройства (ИУ), изменяющего тот или иной параметр ТВД (например, поворот оптической оси, изменение угла зрения, диафрагмы объектива и т. д.) таким образом, чтобы оптимизировать условия измерения контролируемого параметра объекта. Сочетание функций слежения и измерения обеспечивает ТИС с адаптацией высокую точность и устойчивость результатов измерения. Структура системы позволяет также производить автоматический поиск и обнаружение объекта.

Телевизионные измерительные системы управляющего типа (рисунок 1.9) содержат дополнительно контур управления, аналогичный по структуре контуру адаптации и позволяющий поддерживать на заданном уровне или изменять по заданной программе контролируемый параметр объекта.

Следует отметить, что, несмотря на одинаковую структуру контуров адаптации и управления, они выполняют различные функции, имеют в своем составе разнородные исполнительные механизмы и управляются разными сигналами, хотя и имеют общий информационный источник для формирования управляющих сигналов - телевизионное изображение объекта. Можно представить, например, ТИС промышленного применения, которая используется для контроля и управления нагревом детали, перемещаемой в ходе технологического процесса относительно ТВД.

Рисунок 1.9. Схема ТИС управляющего типа Контур адаптации в такой системе должен автоматически стабилизировать положение изображения детали в центре ТВ-растра путем поворота ТВД вслед за перемещаемой деталью. Такой режим слежения реализуется на основе выделенной из видеосигнала координатной информации об объекте. Контур управления, в свою очередь, на основе выделенной из ВС информации о цветовой температуре объекта автоматически регулирует режим работы нагревательного элемента таким образом, чтобы в нужный момент была достигнута и поддерживалась заданная температура нагрева детали. Отсюда видно, что ТИС управляющего типа могут обеспечивать решение робототехнических задач.

Сравнение структурных схем телевизионных систем визуального наблюдения и измерительных телевизионных систем позволяет установить, что между ними общего, и, с другой стороны, указать на принципиальные различия между ними. Признаком, согласно которому оба типа систем следует отнести к телевизионным, является наличие ТВД, что связано с одинаковым способом преобразования оптического изображения наблюдаемой сцены (объекта) в видеосигнал. Основное же отличие между системами состоит в назначении и дальнейшем использовали видеосигнала. В телевизионных системах визуального наблюдения обязательной заключительной операцией является преобразование видеосигнала в изображение, при этом качество работы системы оценивается степенью соответствия ТВ-изображения на экране ВКУ его оптическому оригиналу. Выбор ТВ-стандарта, совершенствование отдельных узлов, введение корректирующих блоков (противошумовая, апертурная, -коррекция) и другие меры по модернизации вещательной системы направлены в конечном итоге на улучшение качества ТВ-изображения повышение его информативности, достижение максимального зрительного эффекта.

Принципиально важной отличительной особенностью ТИС является наличие измерительного блока, предназначенного для обработки ВС с целью извлечения из него информации о наблюдаемом объекте и измерения контролируемых параметров этого объекта. Именно этот признак - наличие измерительного блока является определяющим для отнесения системы к классу ТИС.

Конкретная конфигурация структуры ТИС, характер взаимодействия и способ реализации входящих в нее узлов определяются назначением системы, типом решаемой задачи и могут быть чрезвычайно разнообразными, однако неизменным остается наличие измерительного блока.

Следующей отличительной особенностью ТИС является способ представления информации на выходе системы. В отличие от телевизионных систем визуального наблюдения, в которых информация представляется в виде ТВ-изображения на экране видеоконтрольного устройства и предназначается для визуального восприятия, в ТИС выходная информация в виде цифровых или аналоговых сигналов поступает на устройство регистрации и индикации или же используется в канале управления. Характерной особенностью этих сигналов является однозначная связь между параметром информационного сигнала и измеряемым параметром объекта. Например, в телевизионном счетчике числа объектов результат измерения может быть представлен в виде цифрового двоичного кода на выходе измерительного блока. В блоке индикации и регистрации число в двоичном коде преобразуется в десятичное число, которое высвечивается на цифровом табло. Полученный результат может быть подвергнут однозначной оценке независимо от индивидуальных и субъективных особенностей потребителя информации. Отсюда следует, что возможно построение объективного количественного критерия качества работы ТИС, основанного на исследовании точностных характеристик результатов измерений.

Создание аналогичного критерия для телевизионных систем визуального наблюдения затруднено, как уже отмечалось, из-за отсутствия обобщенного количественного и, главное, объективного критерия оценки качества изображения.

Следует отметить, что в некоторых случаях в качестве устройства индикации и регистрации в ТИС используется телевизионный экран, на котором для удобства работы оператора воспроизводится ТВ-изображение наблюдаемого объекта и результаты измерения параметров этого объекта в виде буквенно-цифровой информации, совмещенной с изображением. В автоматических ТИС управляющего типа блок индикации вообще может отсутствовать.

Таким образом, наличие или отсутствие блока индикации, тип индикатора относятся к числу несущественных признаков ТИС.

В таблице 1.1 приведен перечень существенных признаков телевизионных систем визуального наблюдения и измерительного типов.

Наличие измерительного блока необязательно обязательно Высокое качество изображения обязательно необязательно Высокая точность измерения необязательна обязательна Субъективный критерий качества Видно, что единственным существенным признаком, объединяющим системы обоих типов, является наличие ТВД. В остальном ТИС значительно отличаются от визуальных систем, поэтому требуются специфические методы их изучения.

1.3 Информативность оптического изображения определяются количеством неискаженной информации об объекте, содержащейся в видеосигнале с выхода ТВД. Процесс формирования видеосигнала состоит из двух этапов. На первом строится оптическое изображение объекта в плоскости фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), на втором с помощью ТВ-развертки оно преобразуется в видеосигнал. Оптическая система (объектив) ТВД предназначена для создания оптического изображения на входе ФЭП.

Это изображение, если пренебречь искажениями, вносимыми объективом и средой распространения света, можно рассматривать как центральную проекцию объекта на плоскость.

Свойства центральной проекции позволяют рассматривать изображение объекта как его масштабированную копию, в которой сохраняется информация об объекте, и, следовательно, его параметры могут быть вычислены путем соответствующего пересчета измеренных параметров оптического изображения. Среди параметров объекта, которые могут быть определены по его оптическому изображению, выделим три группы: геометрические, энергетические, цветовые (таблица 1.2).

Линейный размер l Световой поток Система XYZ:

Угловой размер Освещенность E по вертикали Y Угловые координаты:

по горизонтали по вертикали В первом приближении связь между геометрическими параметрами объекта и его оптическим изображением может быть установлена на основании законов геометрической оптики. На рисунке 1.10 показано, как формируется изображение удаленного объекта объективом с фокусным расстоянием f. При Z f (Z - расстояние до объекта) сфокусированное изображение объекта формируется в фокальной плоскости объектива, при этом линейный масштаб изображения M f / Z.

Рисунок 1.10. Формирование оптического изображения Соотношения для определения геометрических параметров объекта приведены в таблице 1.3. Координаты X, Y отсчитываются относительно осей х, у, пересекающихся на оптической оси объектива;

угловые координаты, отсчитываются относительно оптической оси объектива. Для вычисления некоторых геометрических параметров объекта необходимо знать масштаб изображения М, что возможно при известной дальности объекта Z.

геометрический Линейный размер Угловой размер Площадь Координаты:

по горизонтали по вертикали Угловые координаты:

по горизонтали по вертикали Здесь следует заметить, что приведенные в таблице 1. соотношения, строго говоря, справедливы для случаев наблюдения объектов заметной формы и размеров. При решении задач измерения координат точечных объектов помимо законов геометрической оптики необходимо учитывать также влияние аберраций оптической системы, предопределяющих вид весовой функции объектива, а, следовательно, и форму изображения наблюдаемого объекта.

Для расчета энергетических (светотехнических) параметров объекта по известной освещенности Еиз, создаваемой объектом в плоскости входного окна ФЭП, необходимо знать следующие параметры объектива и объекта: - относительное отверстие объектива, равное отношению диаметра входного зрачка объектива D к фокусному расстоянию f '; - геометрическую светосилу объектива; - коэффициент пропускания объектива; - физическую светосилу объектива; - коэффициент диффузного отражения поверхности объекта. Расчетные соотношения, связывающие между собой энергетические параметры объекта и его оптического изображения, приведены в таблице 1.4. Здесь же приведены формулы для расчета освещенности поверхности объекта точечным источником света силой света I0, расположенным на расстоянии r от объекта под углом 0 к поверхности объекта, а также для расчета элементарного светового потока Фэ приходящегося на один элементарный участок (элемент) оптического изображения объекта площадью Sэ.

Энергетический Световой поток Яркость Освещенность Сила света Световой поток на элемент разложения Расчет цветовых параметров объекта возможен на основе колориметрических соотношений, которые позволяют определить цвет и цветность этого излучения. Любой цвет геометрически определяется положением соответствующей точки в трехмерном пространстве цветов. Координаты этой точки, отсчитываемые вдоль осей основных цветов, называются модулями.

Существует множество колориметрических систем измерения цвета, из которых наиболее широко используются две: система XYZ, построенная на фиктивных основных цветах, и система RGB, в которой в качестве основных цветов выбраны красный R, зеленый G и синий В цвета свечения люминофоров.

Рисунок 1.11. Удельные координаты в системе XYZ Модули цвета в колориметрической системе RGB обозначаются r', g', b', они показывают, в каких количествах необходимо смешать основные цвета R, G, B, чтобы получить заданный цвет с заданным модулем mМ. Математически это записывается с помощью колориметрического уравнения для которого выполняется условие Аналогично записывается колориметрическое уравнение в системе XYZ: mФФ = x'X + y'Y + z'Z, где mФ = x' + y' + z'. Для колориметрической системе используются следующие выражения:

где w() – спектральная плотность мощности излучения, Вт/нм; x ( ), y ( ), z ( ) - удельные координаты спектрально чистых цветов в системе XYZ (рисунок 1.11). Интегрирование выражений (1.5) производится в видимом диапазоне длин волн от 380 до 760 нм.

Для определения координат цвета в системе RGB можно использовать матричное уравнение вида:

При обратном переходе от системы RGB к системе XYZ расчет производится в соответствии с матричным выражением Цветовые модули х', у', z' или r', g', b' являются исчерпывающей характеристикой цвета, включая его энергетическую характеристику.

Часто при колориметрических расчетах бывает удобно от трехмерного пространства цветов перейти к двумерному пространству цветностей.

Для этого колориметрическое уравнение (1.3) достаточно преобразовать к виду Из выражений (1.4) и (1.6) видно, что Цвет М называется единичным цветом, а его координаты r, g, b трехцветными коэффициентами. Для всех единичных цветов справедливо выражение (1.7), которое фактически является уравнением плоскости единичных цветов в колориметрической системе RGB.

Аналогично в системе XYZ колориметрическое уравнение для единичных цветов принимает вид: Ф xX yY zZ, а для плоскости единичных цветов имеем Положение точки в плоскости единичных цветов характеризует цветность излучения. Для количественного описания цветности достаточно знать два трехцветных коэффициента, например x и y, а z найти из выражения (1.8) по формуле z = 1-(x+y).

Цветовой график в колориметрической системе XYZ изображен на рисунке 1.12. Он представляет проекцию плоскости единичных цветов (1.8) с изображенной на ней фигурой реальных цветов на плоскость XOY.

Фигура реальных цветов ограничена дугообразной линией, на которой расположены цвета монохроматических излучений с длинами волн от 380 до 780 нм, и линией пурпурных цветов, соединяющей концы дуги. На цветовом графике XYZ показан также треугольник основных цветов RGB и линия черного тела, соединяющая точки цветностей идеальных излучателей с различными цветовыми температурами.

Соотношения между цветовыми параметрами излучения (отражения) объекта и его изображения на входе ФЭП приведены в таблице 1.5.

Видно, что цветовые модули объекта и его изображения пропорциональны, причем коэффициент пропорциональности K определяется физической светосилой объектива и масштабом изображения. Параметры цветности (т. е. трехцветные коэффициенты) объекта и его изображения одинаковы. Следует также отметить, что соотношения между цветами объекта и его изображения, приведенные в таблице 1.5, справедливы, если объектив не вносит в изображение спектральных искажений, т. е. когда ()==const.

Цветовой

XYZ RGB

преобразуется в зарядовый рельеф Q(i, j ) функцию дискретных пространственных аргументов i и j. Величина накопленного заряда, снимаемого с i-того элемента j-той строки, определяется выражением:

SинтI – интегральная токовая чувствительность фотопримника;

где TH – время накопления; i, j – координаты фоточувствительного элемента; x и y – размеры фоточувствительного элемента по горизонтали и вертикали соответственно[1]. В случае если ФЭП позволяет организовать произвольный доступ к элементам разложения, то можно было бы остановится, однако, в большинстве ТВД на выходе образуется видеосигнал как функция одной переменной t. Таким образом, в процессе вывода зарядов из ФЭП осуществляется второй этап преобразования:

где Cвых – емкость выходной структуры ТВД.

Вернемся к задаче определения координат изображения Xиз и Yиз по видеосигналу. В качестве примера рассмотрим измерение параметров изображения малоразмерного объекта [8]. Пусть изображение объекта расположено на расстояниях Xиз и Yиз относительно координатных осей. При разложении изображения в момент времени t происходит совмещение развертывающей апертуры с изображением объекта, размер которого равен размеру элемента (точечный объект); при этом мгновенное значение видеосигнала максимально и равно Uс. В случае линейной построчной развертки справедливо соотношение где j – порядковый номер строки, в которой зафиксировано появление импульса от объекта; tx – интервал времени от начала данной строки до момента достижения импульсом объекта максимального значения Uc.

Учитывая, что начальным пунктом развертки является точка с координатами (-lр/2; hр/2), с которой центр апертуры совмещается в момент времени t=0, а развертка производится со скоростью Vpx по горизонтали и Vpy по вертикали, получим для координат изображения объекта:

Рисунок 1.13. К определению координат точечного объекта Таким образом, для определения координатной информации об изображении объекта достаточно измерить временные расстояния вершины видеоимпульса от начала строчной (tx) и кадровой (t) разверток. Практически удобнее при измерении координаты Y фиксировать порядковый номер строки (j), в которой появляется видеоимпульс от объекта, и затем вычислять интервал времени t по формуле (1.11).

Далее перейдем к определению освещенности создаваемой объектом на входе ТВД. Выходное устройство преобразует зарядовые пакеты в напряжение или ток.

Рисунок 1.14. Схема формирования видеосигнала ТВД Для фиксированного элемента изображения, совпадающего с изображением малоразмерного объекта, выражение (1.9) можно записать в виде Здесь исключена координатная информация и в явной форме представлено соотношение между амплитудой сигнала от объекта Uc и освещенностью Eиз, создаваемой объектом на входе ФЭП.

Схема формирования видеосигнала на выходе ТВД показана на рисунке 1.14, из которого видно, что амплитуда видеосигнала Uc определяется произведением тока сигнала Iс на выходе ФЭП, нагрузочного сопротивления Rн, и коэффициента усиления kyc, видеоусилителя, т. е. зависит как от свойств ФЭП, так и от параметров согласующего и усилительного устройств. Для описания свойств ФЭП как преобразователя световой энергии в энергию электрического сигнала вводится световая характеристика (или характеристика свет сигнал):

На основании рисунка 1.14 с учетом (1.14) выражение (1.13) можно уточнить и привести к виду U c f ( Eиз ) Rн k ус, откуда следует Эта формула представляет обратную световую характеристику (или характеристику сигнал-свет) ТВД. При этом функция обратна функции f, а аргументом функции f является ток сигнала ФЭП, вычисленный по результатам измерения амплитуды видеоимпульса целесообразно пользоваться в измерительном телевидении, когда по амплитуде сигнала U c измеряется освещенность изображения объекта Eиз.

Для большинства современных ФЭП точные аналитические выражения световой характеристики (1.14) неизвестны. На практике пользуются экспериментально полученными световыми характеристиками ФЭП, которые в некоторых случаях могут быть аппроксимированы сравнительно простыми выражениями. Наиболее часто используется аппроксимация световой характеристики ФЭП степенной функцией вида где kФЭП - коэффициент пропорциональности, учитывающий чувствительность и режим работы ФЭП, а также стандарт разложения, А/лк; - коэффициент нелинейности световой характеристики ФЭП, зависящий от типа прибора и режима его работы.