Збільшення ймовірності розпізнавання в оглядових телевізійних системах

Размещено на http://www.allbest.ru

національний технічний університет україни

«київський політехнічний інститут»

Гаврилюк Андрій Іванович

УДК 621.397

збільшення ймовірності розпізнавання в

оглядових телевізійних системах

Спеціальність 05.11.07 - Оптичні прилади та системи

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» Міністерства освіти і науки України на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Колобродов Валентин Георгійович,

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», завідувач кафедри оптичних та оптико-електронних приладів

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Воронов Сергій Олександрович,

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», заступник проректора з наукової роботи

кандидат технічних наук, доцент

Сенаторов Володимир Миколайович,

Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій Міністерства регіонального розвитку та будівництва України, завідувач відділу

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут»

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, доцент Бурау Н.І.

загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Оглядові телевізійні системи (ОТС) займають важливе місце у багатьох сферах промисловості та побуту. Велика роль таким системам відводиться у медицині, військовій справі та космічних дослідженнях. Як правило, ОТС складається з таких компонентів: оптичної системи (ОС), матричного приймача випромінювання (МПВ), електронної системи обробки зображення і дисплея. Тому узгодження вказаних компонентів ОТС з урахуванням максимальної кількості їх параметрів та характеристик є досить важливим та перспективним завданням для розробників таких систем.

Важливими завданнями, що стоять перед ОТС, є виявлення, розпізнавання та ідентифікація зображення об'єктів. Задача виявлення об'єкта телевізійною камерою досить складна і важлива. Більшу складність та високу вагомість має задача розпізнавання та ідентифікація об'єкта за допомогою ОТС. Складність завдання полягає в тренованості та досвідченості оператора, що спостерігає панораму за допомогою ОТС. Важливо також знати, яким чином впливає зорове сприйняття оператора на виявлення та розпізнавання зображення об`єкта на екрані дисплея. Зорове сприйняття досить детально розглянуто в багатьох роботах. Але не досить повно досліджений вплив часу пред`явлення зображення оператору на ймовірність розпізнавання, залежність зорового сприйняття від параметрів та характеристик ОТС. Необхідно врахувати параметри ОТС, а також фактори, що впливають на зорове сприйняття зображення оператором. Оптимізація в даному випадку стосується такого вибору параметрів елементів ОТС, при якому оператор найкраще буде вирішувати завдання виявлення та розпізнавання об'єктів за різних умов спостереження.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів і безпосередньо пов`язана з тематикою державних науково-дослідних робіт: «Розробка теоретичних основ проектування тепловізорів різного призначення» (ДР № 0100U002035), «Теоретичне обґрунтування принципів створення багатоканальних оптико-електронних систем» (ДР № 0103U000294), «Теоретичне обґрунтування та дослідження оптико-електронних систем спостереження» (ДР № 0105U000928), «Методи підвищення якості зображень в матричних та іконічних оптико-електронних системах» (ДР № 0106U002188).

Мета і задачі дослідження. Розробка рекомендацій по узгодженню параметрів основних компонентів оглядової телевізійної системи для збільшення ймовірності розпізнавання об'єктів спостереження. Для досягнення поставленої мети розв'язувалися наступні задачі:

Проведення огляду та аналіз відомих методів визначення ймовірності розпізнавання об'єктів.

Розробка математичної моделі ОТС для дослідження ймовірності розпізнавання зображення об`єкта.

Розробка методики визначення ймовірності розпізнавання зображення об`єкта з екрану дисплея ОТС.

Дослідження впливу неоднорідності фону на пороговий потік ОТС.

Розробка експериментального стенду та проведення досліджень для перевірки аналітичних виразів, отриманих в роботі, а також для дослідження процесів формування зображення в ОТС, що не піддаються емпіричному описанню.

Об'єкт дослідження - оглядова телевізійна система з матричним приймачем випромінювання.

Предмет дослідження - ймовірність розпізнавання об'єкта ОТС.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше отримано аналітичний вираз для ймовірності розпізнавання об`єктів ОТС, в основі якого лежить двовимірний піксельний критерій розпізнавання.

2. Досліджено вплив параметрів сучасних дисплеїв, які використовуються в ОТС, на ймовірність розпізнавання.

3. Розроблено методику розрахунку порогового потоку ОТС, яка дозволяє врахувати параметри нерівномірного фону, на якому спостерігається об`єкт.

4. Розроблено експериментальний стенд та отримано експериментальні дані для ОТС з різними типами дисплея при вирішенні задачі розпізнавання зображення об`єкта.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному:

1. Отримані аналітичні вирази дають змогу узгодити параметри окремих компонентів ОТС для збільшення ймовірності розпізнавання, враховуючи закони зорового сприйняття оператора.

2. Розроблені експериментальні методи визначення дальності розпізнавання ОТС є новими і можуть бути використані при дослідженнях якості зображення в ОТС різного призначення.

3. Отримані результати дозволяють використовувати сучасні рідкокристалічні дисплеї (РКД) у складі ОТС, що в свою чергу дає ряд переваг порівняно з традиційними дисплеями на електронно-променевих трубках (ЕПТ).

Результати досліджень впроваджені в навчальний процес на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів НТУУ “КПІ” в курсі для магістрів “Оптико-електронні системи спостереження”, а також будуть використані в НДІ “Квант” при проектуванні телевізійних систем спеціального призначення. розпізнавання зображення дисплей телевізійний

Особистий внесок автора. В дисертаційній роботі приведені результати досліджень, виконані автором самостійно. Постановка задачі досліджень, розробка методології та підходів до її вирішення здійснювались спільно з науковим керівником. Автору належить методика розрахунку ймовірності розпізнавання зображення об`єкта на екрані дисплея ОТС з МПВ; використання піксельного двовимірного критерію розпізнавання зображення об`єктів; методика розрахунку порогового потоку ОТС, яка дозволяє врахувати параметри нерівномірного фону, на якому спостерігається об`єкт; розроблений експериментальний стенд, та отримані експериментальні дані для ОТС з різними типами дисплея при вирішенні задачі розпізнавання зображення об`єкта. Усі основні положення, викладені в дисертації, отримано автором особисто.

Апробація результатів дисертації здійснена на 6 міжнародних науково-технічних конференціях: “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи” (Київ, квітень 2002); “Университетские проекты микроспутников: тенденции, технологии, реализация” („Сузір'я”, Дніпропетровськ, жовтень 2002); “Приладобудування 2003: стан і перспективи” (Київ, квітень 2003); „Приладобудування 2004: стан і перспективи” (Київ, квітень 2004), „Приладобудування 2005: стан і перспективи” (Київ, квітень 2005); “Приладобудування 2006: стан і перспективи” (Київ, квітень 2006).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи викладені в 10 наукових працях, із яких 5 статей у фахових виданнях і 5 тез доповідей на наукових конференціях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел та додатку. Загальний обсяг роботи 135 сторінок, 57 рисунків та 6 таблиць на 18 сторінках, список використаних джерел із 93 найменувань на 9 сторінках, додатки на 3 сторінках.

основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів та наведені дані про публікації та апробацію роботи.

В першому розділі зроблено аналіз методів дослідження впливу параметрів та характеристик ОТС на ймовірність розпізнавання. Розглянуто процес перетворення інформації від об`єкта спостереження до очей оператора в ОТС, яка складається з ОС (об`єктива), МПВ, електронної системи обробки відеосигналу та дисплею.

Дано визначення основних характеристик ОТС, що характеризують якість зображення, таких як яскравість і контрастність зображення, максимальна роздільна кількість рівнів яскравості, чіткість і різкість зображення, частота кадрів, спотворення зображення, освітленість вхідної зіниці об`єктива, що еквівалента шуму, шуми системи.

Оптичні і електронні блоки ОТС здійснюють лінійну просторову фільтрацію зображення, яка характеризується двовимірною модуляційною передавальною функцією (МПФ). Так як при моделюванні ОТС в більшості випадків її вважають лінійною і інваріантною системою, то МПФ ОТС можна визначити добутком МПФ окремих елементів, з яких вона складається: об'єктива, МПВ, електронної системи обробки відеосигналу та дисплею. Для одновимірного випадку уздовж осі x, яка співпадає з напрямом сканування, МПФ ОТС визначається як:

, (1)

де v_x - просторова частота по горизонталі; MTF_O(v_x) - МПФ об`єктива; MTF_D(v_x)- МПФ матричного приймача випромінювання; MTF_el(f)- МПФ електронного тракту; MTF_dis(v_x)- МПФ дисплея.

Загальну МПФ ОТС також можна апроксимувати гаусовою функцією:

, (2)

Де r_ts- радіус зображення точкового джерела випромінювання.

Однією з найважливіших характеристик ОТС є максимальна дальність розпізнавання (МДР). МДР носить ймовірносний характер і залежить від багатьох чинників, таких як: умови спостереження (час доби, стан атмосфери, місцезнаходження (базування) ОТС, вплив вібрацій та сторонніх сил на ОТС); оптична система, що формує зображення в ОТС (наявність аберацій та їх залежність від відносного отвору); МПВ (просторове розділення, однорідність чутливості елементів і т.п.); електронна система обробки відеосигналу (наявність спотворень, шумів, що вносяться до корисного сигналу); характеристик зорового сприйняття оператора (при розпізнаванні зображення об'єктів).

Аналіз експериментальних даних показує, що при зміні величини окремих факторів в незначних межах, характерних для реальних зображень в ОТС, вплив цих факторів на контрастну чутливість зору (КЧЗ) не залежить один від одного. Тоді ймовірність виявлення телевізійного зображення об`єкта можна розрахувати виходячи з поняття порогового контрасту яскравості зображення об`єкта і фона на екрані дисплея. Розглянуто залежність порогового контрасту від ймовірності виявлення, розміру зображення об`єкта на екрані дисплея, яскравості адаптації, власних шумів зорової системи, часу пред`явлення зображення.

Детально проаналізовано основні критерії визначення ймовірності розпізнавання. Основним критерієм розпізнавання зображення об'єктів є критерій Джонсона. Джонсон визначив число штрихів в зображенні об'єкта, необхідних для забезпечення 50%-ої ймовірності правильного розпізнавання об'єкта.

Для растрового телевізійного зображення використовується емпірична формула:

, (3)

Де N- кількість телевізійних ліній (твл) по горизонталі чи вертикалі (мінімальне з них), яке містить зображення об'єкта.

Ймовірність розпізнавання об'єкта залежить від площі об'єкта, який проектується об'єктивом на МПВ ОТС. Якщо розглядати поверхню МПВ як деякий «шаховий» растр, то можна визначити залежність ймовірності розпізнавання зображення від кількості пікселів МПВ, які містяться у зображенні об'єкта.

Дослідження показали, що 50%-ій ймовірності розпізнавання відповідає площа об'єкта, що зображається на 15 пікселях, а для отримання 90%-ої ймовірності необхідно, щоб зображення об'єкта знаходилось не менш, ніж на 30 пікселях.

Для ОТС використовують різні види розділення: просторове, енергетичне, спектральне, часове. Для більшості ОТС важливо забезпечити необхідне просторове і енергетичне розділення.

Просторова частота v_x,max, при якій МПФ ОТС зменшується до певного рівня, наприклад до значення порогового контрасту, що сприймається оператором, часто служить мірою просторового розділення. За таку просторову частоту можна прийняти частоту Найквіста v_N, яка дорівнює половині частоти просторової вибірки, що здійснюється в ОТС з МПВ. Інколи просторове розділення оцінюють по коефіцієнту передачі модуляції (КПМ) T_s(v_x), який визначає реакцію системи на періодичний тест-об`єкт прямокутної міри. Для переходу від МПФ M<sub>s</sub>(v<sub>x</sub>) до КПМ T<sub>s</sub>(v<sub>x</sub>) достатньо розкласти прямокутну функцію в ряд Фур`є .

В телебаченні достатньо давно використовується критерій О. Шаде, згідно якого кутовий елемент розділення визначається як

, (4)

де - ефективна (еквівалентна) смуга пропускання просторових частот.

ОТС створює зображення об`єкта, наприклад, штрихової міри, на екрані дисплея з певним контрастом, який сприймається спостерігачем (оператором). Око спостерігача має певний пороговий контраст, який залежить від просторової частоти v<sub>x</sub> зображення міри. При збільшенні просторової частоти зображення міри, тобто при зменшенні ширини смуги, контраст зображення між світлими і темними смугами зменшується. На певній просторовій частоті v<sub>x,max</sub> смуги в зображенні не спостерігаються. Ця максимальна просторова частота v<sub>x,max</sub> в зображенні і характеризує граничне просторове розділення ОТС, тобто система “ОТС - оператор” пропускає просторові частоти тільки в межах від 0 до v<sub>x,max</sub>. Тому ОТС, які працюють в даній ситуації, називають обмеженими по контрасту, або контрастно обмеженими. При цьому мінімальний розмір об`єкта або його елемента, що розділяється системою, дорівнює

, (5)

де - лінійне збільшення ОТС.

Із (5) маємо, що величина обернено пропорційна до ширини смуги пропускання просторових частот пропускання системи і її лінійного збільшення. При великому зростанні якість зображення обмежена шириною смуги пропускання просторових частот, а зростання приведе лише до збільшення кружка розсіювання ОТС і не визве підвищення роздільної здатності. В загальному випадку, чим більша ширина смуги пропускання просторових частот системи, тим більш малі деталі об`єкта розділяються. Крім того, чим більший розмір зображення об`єкта порівняно з , тим якісне зображення.

Порогова чутливість ОТС обмежена шумовим сигналом, який додається до сигналу від об`єкта, що викликає флуктуації яскравості у зображенні. При високому рівні шумового сигналу зображення об`єкта неможливо розгледіти (розділити) на екрані дисплея. Особливо це явище спостерігається на граничній дальності дії ОТС. В цьому випадку зображення об`єкта формується на екрані дисплея на фоні випадкового поля яскравості у вигляді “снігу”, і саме цей контраст, а не пороговий обмежує просторове розділення. Таким чином, чим нижче відношення сигнал/шум, тим менше просторове розділення і гірша якість зображення.

Для конкретних умов роботи ОТС менша із просторових частот v_x,max і буде обмежувати роздільну здатність по контрасту або по шуму просторову. В загальному випадку “засніжені” зображення, як правило, обмежені шумом, а зображення високої якості є контрастно обмеженими.

В другому розділі обґрунтована математична модель оглядової телевізійної системи, з метою визначення просторого і енергетичного розділення, якості зображення, максимальної дальності розпізнавання, а також ймовірності розпізнавання. Таке моделювання дозволяє аналізувати, оптимізувати і синтезувати ОТС для отримання заданих узагальнених її характеристик. В цьому розділі розглядаються математичні основи теорії перетворення сигналів в ОТС від об`єкта спостереження до очей спостерігача. Математичний апарат, який застосовується для цих цілей, - це теорія лінійної фільтрації. Сформульовано загальні вимоги до математичної моделі. Для побудови повної математичної моделі процесу перетворення сигналів розглянуто окремі елементи узагальненої моделі ОТС, яка представлена на рис. 1.

Для математичного моделювання об'єктів використовують тест-об`єкти, функцію яскравості яких апроксимують прямокутною чи синусоїдальною мірою. Число та період світлих та темних штрихів міри залежить від типу об'єкта та завдань, які вирішує ОТС (виявлення, розпізнавання). Так для вирішення задач виявлення використовують прямокутну міру, яка містить світлий і темний штрихи, а для розпізнавання - прямокутну міру, яка містить чотири світлих і чотири темних штрихів.

Значна частина ОТС призначена для пошуку, виявлення та розпізнавання об'єктів, що знаходяться на великих відстанях. Тому випромінювання від об'єкта проходить через атмосферу, а потім потрапляє до оптичної системи ОТС. В атмосфері випромінювання від об'єкта послаблюється, іноді досить значно. Поряд з цим ослабленням відбуваються структурні спотворення випромінювання, що пов'язані із турбулентністю, яка визиває неоднорідність показника заломлення повітря. Усі ці явища погіршують вирішення завдань розпізнавання об'єктів за допомогою ОТС. Повністю врахувати вплив атмосфери на виявлення та розпізнавання об'єктів в реальних умовах не можливо. Тому використано спрощений варіант визначення коефіцієнта пропускання атмосфери у вигляді закону Бугера-Ламберта, де показник поглинання визначається метеорологічною дальністю видимості

Для моделювання оптичної системи використано такі параметри об`єктива як фокусна відстань, діаметр вхідної зіниці, діафрагмове число, кутове поле зору, модуляційна передавальна функція. МПФ об`єктива запропоновано апроксимувати гаусоїдою обертання

, (6)

де v_x і v_y- просторові частоти по горизонталі та вертикалі відповідно; - радіус ФРТ на рівні 0,607 від максимального значення освітленості у зображенні точки. Дано визначення просторової та енергетичної роздільної здатності об`єктива.

Одним з головних елементів оглядових телевізійних систем є приймач випромінювання. В сучасній телевізійній техніці та цифрових фото і відеокамерах широко використовуються МПВ у вигляді приладів з зарядовим зв`язком.

До основних параметрів та характеристик МПВ можна віднести:

· Кількість чутливих елементів матриці або формат матриці, який визначає поле зору і роздільну здатність ОТС.

· Розміри чутливого елементу (пікселя). В загальному випадку для отримання високої якості зображення необхідно, щоб розмір чутливої площі елемента МПВ не був більшим за кружок розсіяння оптичної системи ОТС.

· Чутливість - це спектральна характеристика, яка відображає реакцію приймача випромінювання на світловий потік різного спектрального складу.

Здатність МПВ формувати якісне зображення можна оцінити за допомогою МПФ. Модуляційну передавальну функцію МПВ можна представити сумою МПФ окремих елементів (пікселів), що дає змогу враховувати дискретну структуру приймача. Отримано аналітичний вираз для модуляційної передавальної функції МПВ

, (7)

де v_D,w_D - розміри пікселя; V_D,W_D - періоди просторової структури МПВ вздовж осей та відповідно.

Аналіз функції (7) показав, що при проектуванні ОТС розмір чутливої площадки МПВ повинен задовольняти умові:

(8)

де і максимальні просторові частоти сформованого зображення в площині ПВ уздовж відповідних координат.

В більшості випадків при проектуванні ОТС слід дотримуватися більш жорстких умов:

, (9)

де v_N- частота Найквіста.

Розглянуто структурну схеми електронної системи обробки відеосигналів. Для моделювання цієї системи використано МПФ ідеального прямокутного фільтра або фільтр Батерворта.

Дисплей - важливий елемент ОТС та є її невід'ємною частиною. На сучасному етапі розвитку електронної техніки слід виділити два найбільш поширених види дисплеїв: дисплей з ЕПТ та РКД, які досить широко застосовують в останній час. Розглянуто фізичні основи роботи сучасних РКД.

До основних характеристик дисплеїв варто віднести:

1. Яскравість екрана - характеризує можливість застосування в умовах сильного зовнішнього освітлення. Яскравість залежить від відносної спектральної чутливості людського зору.

2. Контраст зображення на екрані дисплея.

3. Роздільна здатність - для ЕПТ визначається кількістю ліній, що розділяються на одиниці довжини, для РКД - кількістю світло- випромінюючих елементів (пікселів) на одиницю довжини.

4. Розмір діагоналі екрану дисплея - є досить важливим параметром, так як більша діагональ дисплею дає змогу оператору віддалятися від екрану на більшу відстань.

Якість зображення, яке формується на екрані дисплею можна оцінити за допомогою МПФ.

МПФ для ЕПТ знаходять шляхом перетворення Фур`є функції розсіювання точки

, (10)

де r_s - радіус кружка розсіювання ЕПТ, при якому яскравість у зображенні точки зменшується до рівня 0,607 від максимального значення; - просторові частоти у площині екрану по горизонталі та вертикалі відповідно.

МПФ для РКД має вигляд

, (11)

де X,Y - періоди матричної гратки випромінюючих елементів РКД по горизонталі та вертикалі відповідно.

При проектуванні ОТС візуального типу необхідно враховувати процес зорового сприйняття зображення оператором. Розглянуто характеристики ока оператора, які необхідно враховувати при проектуванні ОТС: поле зору, гостроту зору, спектральну чутливість, пороговий контраст, контрастну чутливість, модуляційну передавальну функцію. Наведено декілька сучасних апроксимацій МПФ ока. Відмічено просторову і часову інтегральні властивості зорового сприйняття.

Третій розділ присвячено дослідженню узагальнених характеристик ОТС.

Значна частина оптико-електронних систем спостереження (ОЕСС) призначена для виявлення та розпізнавання об`єктів, розташованих на значній дальності. Основними характеристиками таких систем є максимальна дальність виявлення і розпізнавання. Ці характеристики залежать від порогового потоку, який здатна реєструвати система. В більшості методик розрахунку порогового потоку розглядають об`єкт, який розташований на рівномірному фоні. Однак при спостереженні об`єктів на фоні неба, або із космосу на поверхні Землі, фон не є рівномірним. В зв`язку з цим, нами розроблена методика розрахунку порогового потоку ОЕСС, яка спостерігає об`єкт на нерівномірному фоні.

Пороговий потік NEP (Noise Equivalent Power) визначається як мінімальна різниця потоку від об`єкта спостереження і середнього значення потоку від фону, які надходять до вхідної зіниці ОЕСС в межах миттєвого поля зору, при якій відношення сигнал/шум на виході приймача випромінювання (ПВ) дорівнює одиниці.

Якщо ОЕСС має на виході ПВ шумовий сигнал u_n, то пороговий (мінімальний) потік визначається як

, (12)

де R_Dr - інтегральна чутливість ПВ по відношенню до випромінювання фону (реального джерела).

На основі математичної моделі ОТС отримано загальну формулу для розрахунку порогового потоку, якщо об`єкт спостереження знаходиться на нерівномірному фоні

, (13)

де NEP_tp,b - пороговий потік ОТС по еталонному випромінювачу при наявності фонової освітленості; m_m - глибина модуляції потоку від фона; L_b - середня інтегральна яскравість фона; , - інтегральний коефіцієнт пропускання атмосфери і об`єктива відповідно; A<sub>b</sub> - площа фона, яка знаходиться в межах миттєвого поля зору; - тілесний кут, у межах якого випромінювання від об`єкта надходить до вхідної зіниці об`єктива; R_Db - інтегральна чутливість ПВ по випромінюванню еталонного джерела при наявності фонової освітленості; k_Dr,b і k_D,tp - коефіцієнти використання ПВ по випромінюванню фона і еталонного джерела відповідно; u_nb - середнє квадратичне значення шуму ПВ з урахуванням постійної освітленості.

В формулі (13) множник у вигляді кореня погіршує чутливість із-за флуктуацій фонового випромінювання. При цьому значення NEP_tp,b знаходиться за формулою

, (14)

де D^* - питома виявлювальна здатність ПВ; A_D - площа чутливого елемента ПВ; - ефективна шумова смуга пропускання електронного тракту; k_Db(f)- коефіцієнт, який характеризує збільшення порогового потоку ПВ із-за постійної фонової освітленості. В тих випадках, коли складова за рахунок зовнішнього шуму (другий доданок під коренем у виразі (13)) значно менша складової, яка обумовлена внутрішнім шумом, розрахунок порогового потоку здійснюється по методиці, що враховує тільки постійну освітленість. Якщо переважають зовнішні шуми, тобто друга складова під коренем у виразі (13) значно більша одиниці, то в якості порогового потоку приймають величину середньоквадратичного значення флуктуацій потоку від фона.

Запропоновано два методи визначення глибини модуляції потоку від фона m_m, розглянуто приклад розрахунку порогового потоку NEP.

Результати дослідження порогового потоку ОТС, яка спостерігає об`єкт на нерівномірному фоні, дозволяють зробити такі висновки.

1. Розроблена методика розрахунку порогового потоку ОЕСС дозволяє враховувати параметри нерівномірного фона, на якому спостерігається об`єкт. Цей потік залежить як від дальності до об`єкта спостереження, так і від дисперсії і розмірів флуктуацій яскравості фона.

2. Аналіз отриманої функції (13) для розрахунку порогового потоку розглянутої в дисертації ОТС показав, що:

2.1. В межах зміни дальності до об`єкта від 1,5 до 12 км пороговий потік перевищує більше ніж в двічі пороговий потік, обумовлений власними шумами ПВ.

2.2. Зменшення впливу флуктуацій нерівномірності фона можна досягти за рахунок зменшення миттєвого поля зору. Але при цьому зменшується і корисний сигнал від об`єкта.

Розглядаючи ОТС як модель системи «МПВ - електронна система обробки сигналу» отримано імпульсний відгук телевізійної системи.

Ймовірність розпізнавання залежить перш за все від дальності до об`єкта спостереження. Тому значна частина робіт по проектуванню телевізійних і тепловізійних систем спостереження присвячена саме розрахунку максимальної дальності розпізнавання. В основі методик розрахунку максимальної дальності розпізнавання лежить ймовірність розділення штрихових тест-об`єктів. Нами отримано рівняння для розрахунку ймовірності розпізнавання зображення об`єкта на екрані дисплея, в основі якого лежить двовимірний критерій Джонсона.

, (15)

де f'₀ - фокусна відстань об`єктива; R - відстань від об`єкта спостереження до ОТС; A_t - площа об`єкта; A<sub>D</sub> - площа пікселя; - електронне збільшення ОТС; R<sub>SE</sub> - відстань від екрана до оператора; f<sub>f</sub> - частота кадрів; t<sub>E</sub>=0,2с - постійна ока; - кутові розміри пікселя МПВ; MTF<sub>TVS</sub> - МТФ ОТС; - показник ослаблення атмосфери; k<sub>0</sub>- діафрагмове число об`єктива; , - спектральна яскравість об`єкта і фона відповідно; - спектральна чутливість ПВ.

Розглянуто приклад розрахунку ймовірності розпізнавання для конкретної ОТС. На рис. 3 зображено графік залежності ймовірності розпізнавання зображення об'єкта на екрані дисплея ОТС від дальності до об'єкта спостереження, побудований за формулою (15). З графіка видно, що для того, щоб розпізнати об'єкт з 50%-ою ймовірністю, необхідно, щоб він знаходився на відстані не менеше ніж 2 км від ОТС. Дослідження формули (15) показало, що:

1. Збільшення розміру об`єкта або застосування МПВ з меншими розмірами пікселів призводить до збільшення ймовірності розпізнавання зображення об`єкта оператором.

2. Збільшення ймовірності розпізнавання можна досягти за рахунок застосування об`єктивів з більшою фокусною відстанню. Для розглянутого прикладу ОТС збільшення фокусної відстані об`єктива на 100 мм призводить до збільшення максимальної дальності розпізнавання на 1 км.

Отримано загальне рівняння для розрахунку ймовірності розпізнавання ОТС з різними типами дисплеїв. Для рідкокристалічного дисплея

, (16)

де z - відношення розмірів штриха еквівалентної трьох штрихової міри, яке для ОТС становить 5:1; - кутове поле зору ОТС; - розмір екрана дисплея.

Аналогічний вигляд має формула для ймовірності розпізнавання ОТС з ЕПТ. Розглянуто приклад розрахунку ймовірності розпізнавання для конкретної ОТС з різними дисплеями.

Як видно з представлених результатів, графіки для дисплеїв з діагоналлю 15 дюймів (1) - ідентичні (мм²). Як видно з графіків для 6-ти дюймових дисплеїв (мм²), РКД (2) поступається дисплею на ЕПТ (3), але розбіжність значень не досить суттєва, так як значення лежать поза межами ефективних значень.

Проаналізовано вплив неоднорідності чутливості пікселів МПВ та власних шумів системи на процес формування зображення. Встановлено, що за граничних умов спостереження цей вплив значно зменшує ймовірність розпізнавання.

Четвертий розділ присвячено експериментальному дослідженню оглядових телевізійних систем. В науково-технічній літературі міститься досить багато інформації про ймовірність розпізнавання зображення об`єкта, сформованого ОТС, але інформації про методики або експериментальні установки для визначення ймовірності розпізнавання досить мало. Ймовірність розпізнавання залежить як від характеристик об`єкта спостереження і атмосфери, так і від параметрів ОТС (об`єктива, приймача випромінювання, електронної системи обробки відеосигналу, дисплея). При цьому важливу роль відіграють закони зорового сприйняття зображення з екрану дисплея. В розділі 3 отримано аналітичний вираз (16) для розрахунку ймовірності розпізнавання ОТС з двома типами дисплеїв: з рідкокристалічним дисплеєм та дисплеєм на електронно-променевій трубці.

Мета даного розділу - розробка експериментального стенду для визначення ймовірності розпізнавання об'єкта та перевірка достовірності аналітичних виразів для розрахунку ймовірності розпізнавання об'єкта для ОТС з двома типами дисплеїв - РКД та дисплеєм на ЕПТ, отриманих в розділі 3. Проаналізовано різні види вимірювання ймовірності розпізнавання.

Розроблено експериментальну установку, структурно-функціональна схема якої представлена на рис. 5. Стенд складається з ОТС 1, яка є предметом наших досліджень, з блоком живлення 2, комп'ютера з відеокартою 3, яка має аналоговий відео вхід та дозволяє робити захоплення зображення з великим розділенням і частотою, дисплею на ЕПТ 4 або РКД 5 з однаковими діагоналями видимої частини екрану. Тест-об`єкт являє собою набори чотирьох штрихових вертикальних мір на білому однорідному фоні 6. Освітленість тест-об'єктів змінюється регулюванням напруги живлення джерела освітлювача 7 на блоці 8. Зображення тест-об`єкта з екрану дисплея розглядається оператором 9. Контраст об`єкта з фоном та контраст зображення об'єкта та фону на екрані дисплея вимірюється відеокамерою 10, яка з`єднана з осцилографом з виділенням рядка 11. За допомогою осцилографа 11 також визначається середнє значення відношення сигнал/шум, яке сприймає оператор.

Детально викладено методику дослідження максимальної дальності розпізнавання ОТС. Обґрунтовано використання двовимірного піксельного критерію розпізнавання зображення.

Для підтвердження достовірності даних по розпізнаванню зображення об'єкта ми використовували реальний тест-об'єкт - зменшену модель автомобіля, що за розмірами співпадала з чотирьох штриховою мірою. За даних умов спостереження у нашому випадку ми спостерігали повну відповідність даних по розпізнаванню тест-міри та реального тест-об`єкта.

Вимірювання проводились за таких умов: спостереження зображення об'єкта на екрані дисплею проходило при виключеному зовнішньому освітлені (за наших умов ми мали можливість розділити приміщення з тест-об'єктом та приміщення з ОТС); вирівнювання освітленості екранів дисплеїв проходило за рівнем відтворюваного білого; кількість спостерігачів, що приймали участь у експерименті - п'ять чоловік з нормальним зором.

Як видно із поданих графіків, теоретичні залежності практично збігаються з даними, що отримані експериментально. Необхідно відмітити, що РКД дійсно має певну перевагу перед дисплеєм на ЕПТ при розпізнаванні зображення за рівних умов спостереження.

У додатках наведено документи про впровадження результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі вирішена наукова задача збільшення ймовірності розпізнавання зображення об'єктів, отриманих за допомогою оглядової телевізійної системи, шляхом розробки рекомендацій по узгодженню параметрів основних компонентів системи.

На основі проведених досліджень зроблені наступні висновки:

1. З відомих методик визначення ймовірності розпізнавання зображення, рекомендується використовувати «піксельну» модель, тобто визначати ймовірність розпізнавання по кількості пікселів матричного приймача випромінювання, на яких знаходиться зображення об`єкта.

2. При моделюванні оглядової телевізійної системи слід розглядати два випадки, коли система функціонує як контрастно-обмежена система або як система, що обмежена шумами. Розраховуючи для цих випадків смугу пропускання просторових частот системи «оглядова телевізійна система - оператор», можна визначити просторове розділення оглядової телевізійної системи. Менша із них і визначає дійсне просторове розділення оглядової телевізійної системи.

3. Вважається, що оглядова телевізійна система є лінійною та інваріантною. Застосування до такої телевізійної системи теорії просторового і часового спектрального аналізу дозволяє визначити модуляційну передавальну функцію системи як добуток модуляційних передавальних функцій окремих складових системи - об`єктива, матричного приймача випромінювання, електронної системи обробки відеосигналу, дисплею. Досліджено процес перетворення інформації в системі «об`єкт - атмосфера - оглядова телевізійна система - оператор».

4. Отримано на базі розробленої математичної моделі оглядової телевізійної системи нові аналітичні вирази. Дослідження цих виразів з метою збільшення ймовірності розпізнавання показало, що:

4.1. Пороговий потік оглядової телевізійної системи при спостереженні об`єкта на нерівномірному фоні залежить як від параметрів самої системи, так і від флуктуацій яскравості фону та відстані до об`єкта. Зменшити вплив флуктуацій нерівномірності яскравості фону рекомендується досягти за рахунок просторової фільтрації шляхом зменшення миттєвого поля зору.

4.2. Запропоновано вираз для визначення ймовірності розпізнавання, який дозволяє шляхом вибору параметрів та характеристик елементів системи моделювати оглядову телевізійну систему по критерію максимальної дальності розпізнавання. З результатів аналізу прикладів моделювання оглядових телевізійних систем, рекомендується збільшувати ймовірність розпізнавання за рахунок використання матричного приймача випромінювання з меншими розмірами пікселя матричного приймача випромінювання і об`єктива з більшою фокусною відстанню при дотриманні необхідних вимог до енергетичних характеристик до цих елементів.

4.3. Рекомендовано використовувати в оглядовій телевізійній системі замість дисплея з електронно-променевою трубкою рідкокристалічний дисплей.

5. Експериментально підтверджено достовірність запропонованої математичної моделі оглядової телевізійної системи. Розроблено методику та експериментальну установку для вимірювання ймовірності розпізнавання. В процесі розробки стенду та проведення експериментальних досліджень було отримано ряд рекомендацій і висновків:

5.1. Слід уникати передискретизації відеосигналу в телевізійній системі. Якщо ж використовується система з оцифровуванням аналогового відеосигналу, необхідно вибирати пристрій обробки відеозображення з розділенням захвату зображення рівним або кратно більшим за розділення відеосигналу, який надходить з телевізійної системи.

5.2. Дисплей повинен мати розділення рівне або кратно більше за розділення відеосигналу на виході пристрою обробки відеозображення.

6. Результати дисертаційної роботи рекомендується використовувати при проектуванні телевізійних систем різного призначення, в тому числі у військовій справі, на оптико-електронних підприємствах України.

список опублікованих праць за темою дисертації

Колобродов В.Г., Гаврилюк А.І. Модуляційна передаточна функція системи об'єктив - матричний приймач випромінювання // Наукові вісті “НТУУ КПІ”.- 2003. - №1. - С. 69 - 73.

Здобувачем запропоновано математичний апарат.

Колобродов В.Г., Гаврилюк А.І. Ймовірність розпізнавання об'єкта оглядовою телевізійною системою // Наукові Вісті НТУУ КПІ”. - 2003. - №6. - С. 111 - 115.

Здобувачем запропоновано методику розрахунку ймовірності розпізнавання зображення об'єкта оглядовою телевізійною системою.

Гаврилюк А.І., Колобродов В.Г. Вплив типу та параметрів дисплея на ймовірність розпізнавання в оглядовій телевізійній системі // Вісник НТУУ «КПІ». Серія приладобудування. - 2004. - Вип. 27. - С. 35 - 42.

Здобувачем запропоновано ідею та методику розрахунку ймовірності розпізнавання об'єкта в оглядовій телевізійній системі з двома типами дисплея.

Гаврилюк А.І., Колобродов В.Г. Пороговий потік оптико-електронної

системи при спостереженні об`єкта на нерівномірному фоні // Наукові вісті

“НТУУ КПІ”. - 2007. - №2. - С.87- 91.

Здобувачем запропоновано методика розрахунку порогового потоку ОТС.

Гаврилюк А.І., Колобродов В.Г., Леп`яхов В.Ю. Експериментальна установка для визначення ймовірності розпізнавання об`єкта оглядовою телевізійною системою // Вісник НТУУ «КПІ». Серія приладобудування. - 2007. - Вип. 33. - С. 20 - 24.

Здобувачем запропоновано ідею, схему стенду та методику вимірювання.

Гаврилюк А.І. Модуляційна передаточна функція системи “Об`єктив - матричний приймач випромінювання”. Тези доповідей конференції “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи”. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2002. - С. 54 - 55.

Гаврилюк А.І. Ймовірність розпізнавання об`єкта оглядовою телевізійною системою. Тези доповідей конференції “Приладобудування 2003: стан та перспективи”. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2003. - С. 49 - 50.

Гаврилюк А.І. Вплив типу та параметрів дисплея на ймовірність розпізнавання в оглядовій телевізійній системі // Тези доповідей конференції “Приладобудування 2004: підсумки і перспективи”. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2004. - С. 44 - 45.

Гаврилюк А.І. Аналіз методик визначення дальності розпізнавання оглядової телевізійної системи // Тези доповідей конференції “Приладобудування 2005: підсумки і перспективи”. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2005. - С. 57 - 58.

Гаврилюк А.І. Вплив електронної системи обробки зображення та типу дисплея на розпізнавання зображення об`єкта оглядовою телевізійною системою // Тези доповідей конференції “Приладобудування 2006: підсумки і перспективи”. - К.: НТУУ “КПІ”. - 2006. - С. 88 - 89.

анотації

Гаврилюк А.І. Збільшення ймовірності розпізнавання в оглядових телевізійних системах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.07 - оптичні прилади та системи. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2007.

Дисертаційна робота вирішує наукову задачу збільшення ймовірності розпізнавання оглядової телевізійної системи (ОТС) шляхом узгодження параметрів основних компонентів системи.

Розглянуто процес перетворення інформації від об`єкта спостереження до очей спостерігача в ОТС, яка складається із об`єктива, матричного приймача випромінювання (МПВ), електронного тракту та дисплею. Для дослідження ймовірності розпізнавання об`єкта запропоновано використовувати двовимірний критерій Джонсона.

Обґрунтовано математичну модель ОТС з метою визначення ймовірності розпізнавання. Сформульовано загальні вимоги до математичної моделі. Для побудови повної математичної моделі системи «об`єкт - атмосфера - ОТС - спостерігач» розглянуто моделі окремих компонентів цієї системи. Отримано аналітичний вираз для модуляційної передавальної функції МПВ.

На основі розробленої математичної моделі ОТС отримано аналітичні вирази для деяких узагальнених характеристик системи. Розроблено методику розрахунку порогового потоку ОТС, яка спостерігає об`єкт на нерівномірному фоні. Встановлено, що пороговий потік залежить як від дальності до об`єкта, так і від дисперсії та розмірів флуктуацій яскравості фона. Отримано вираз для розрахунку ймовірності розпізнавання зображення об`єкта на екрані дисплея, в основі якого лежить двовимірний критерій Джонсона. Дослідження цього виразу показало, що збільшити ймовірність розпізнавання можна за рахунок зменшення розмірів пікселів МПВ і збільшення фокусної відстані об`єктива. Показано, рідкокристалічний (РК) дисплей має переваги перед дисплеєм з електронно-променевою трубкою (ЕПТ).

Розроблено метод та експериментальний стенд для вимірювання ймовірності розпізнавання об`єкта ОТС з КР дисплеєм та дисплеєм з ЕПТ. При проведенні експериментальних досліджень було використано тест-об`єкт у вигляді зменшеної моделі автомобіля. Експериментально підтверджено достовірність запропонованої математичної моделі ОТС.

Ключові слова: оглядова телевізійна система, ймовірність розпізнавання, дисплей.

Гаврилюк А.И. Увеличение вероятности распознавания в наблюдательных телевизионных системах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.07 - оптические приборы и системы. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2007.

Диссертационная работа решает научную задачу по увеличению вероятности распознавания наблюдательной телевизионной системы (НТС) путем согласования параметров основных компонентов системы.

Рассмотрен процесс преобразования информации от объекта наблюдения до глаз наблюдателя в НТС, которая состоит из объектива, матричного приемника излучения (МПИ), электронного тракта и дисплея. Проанализированы существующие критерии качества изображения. Показано, что все известные критерии качества изображения носят частный характер, что ограничивает их практическое применение. Для исследования вероятности распознавания объекта предложено использовать двумерный критерий Джонсона, согласно которому вероятность распознавания зависит от количества пикселей МПИ, содержащихся в изображении объекта.

При определении вероятности распознавания рассматриваются два случая, когда НТС функционирует как контрастно-ограниченная система, или как система, ограниченная шумами.

Обоснована математическая модель НТС с целью определения пространственного и энергетического разрешения, качества изображения, максимальной дальности распознавания, а также вероятности распознавания. Сформулированы общие требования к математической модели. Для построения полной математической модели системы «объект - атмосфера - НТС - наблюдатель» рассмотрены модели отдельных компонентов этой системы. Получено аналитическое выражение для модуляционной передаточной функции (МПФ) МПИ. Рекомендовано при проектировании НТС выбирать увеличение системы таким образом, чтобы максимальные пространственные частоты изображения в плоскости МПИ не превышали частоту Найквиста приемника.

Рассмотрены модели дисплеев на жидких кристаллах (ЖК) и электронно-лучевой трубке (ЭЛТ). Отмечено, что при моделировании НТС необходимо учитывать характеристики зрительного анализатора наблюдателя (поле зрения, остроту зрения, спектральную чувствительность, пороговый контраст, МПФ).

На основе разработанной математической модели НТС получены аналитические выражения для некоторых обобщенных характеристик системы. Разработана методика расчета порогового потока НТС, которая наблюдает объект на неравномерном фоне. Установлено, что пороговый поток зависит как от дальности до объекта наблюдения, так и от дисперсии и размеров флуктуаций яркости фона. Уменьшить влияние флуктуаций неравномерности фона можно за счет уменьшения мгновенного поля зрения.

Получено выражение для расчета вероятности распознавания изображения объекта на экране дисплея, в основе которого лежит двумерный критерий Джонсона. Исследование этого выражения показало, что увеличить вероятность распознавания можно за счет уменьшения размеров пикселей МПИ и увеличения фокусного расстояния объектива. Получено общее выражение для расчета вероятности распознавания НТС с разными типами дисплеев. Показано, что ЖК дисплей имеет преимущество перед дисплеем с ЭЛТ.

Разработаны метод и экспериментальный стенд для измерения вероятности распознавания объекта и проверки достоверности аналитических выражений для расчета вероятности распознавания НТС с ЖК дисплеем и дисплеем с ЭЛТ. Детально изложена методика измерения максимальной дальности распознавания. При проведении экспериментальных исследований использовался тест-объект в виде уменьшенной модели автомобиля. Экспериментально подтверждена достоверность предложенной математической модели НТС. Результаты диссертационной работы рекомендовано использовать при проектировании телевизионных систем различного назначения.

Ключевые слова: наблюдательная телевизионная система, вероятность распознавания, дисплей.

Gavrylyuk A.I. Increase of probability of recognition in observant television systems. - Manuscript.

Thesis for competition of candidate technical science degree on specialty 05.11.07 - optical devices and systems. - National Technical University of Ukraine “Kyiv's polytechnic institute”, Kyiv, 2007.

The dissertation solves a scientific problem in increase of recognition probability of observant television system (OTS) by the coordination of parameters of the basic components of system.

Process of transformation of the information from target to eyes of the observer in OTS which consists of an objective, the matrix detector (MD), an electronic channel and the display is considered. For research of probability of recognition of target it is offered to use Johnson's bidimentional criterion.

The mathematical model of OTS with the purpose of definition of probability of recognition is proved.. It is formulated the general requirements to mathematical model. For construction of full mathematical model of system « target - an atmosphere - OTS - the observer » it is considered models of separate components of this system. Analytical expression for modulation transfer function (MTF) MD is received.

On the basis of developed the mathematical model of OTS the analytical expressions for some generalized characteristics of system are received. The design procedure of the noise equivalent irradiance of OTS which observes target on a non-uniform background is developed. It is established, that the noise equivalent irradiance depends both on range up to target, and from dispersion and the sizes of fluctuations of brightness of a background. Expression for calculation of probability of recognition of the image of target on the screen of the display in which basis Johnson's bidimentional criterion lays is received. Research of this expression has shown what to increase probability of recognition it is possible at the expense of reduction of the sizes of MD pixels and increase in a focal length of an objective. It is shown, that the liquid crystal display (LCD) has advantage in front of the display with electronic ray tube (ERT).

The method and the experimental stand for measurement of recognition probability of target by OTS with the LCD and the display with ERT is developed. At carrying out of experimental researches the test - object as the reduced model of the automobile was used. It is experimentally confirmed reliability of developed the mathematical model of OTS.

Key words: observant television system, probability of recognition, the display.

Размещено на Allbest.ru

...