Система автоматической настройки управляющих параметров телекамеры

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Самарский государственный технический университет

Система автоматической настройки управляющих параметров телекамеры

В.А.Арефьев

В статье рассматривается алгоритм автоматической настройки управляющих параметров телекамеры с целью адаптации к изменению условий освещенности и приводятся результаты экспериментальных исследований этого алгоритма в лабораторных и реальных условиях.

Ключевые слова: алгоритм автоматической настройки управляющих параметров телекамеры, гистограмма изображения, функции, характеризующие качество изображения.

Для анализа состояния железнодорожных путей используется вагон-лаборатория. Подвижная лаборатория, оснащена датчиками различного типа, в том числе специализированными однострочными телевизионными камерами, развёртка изображения в которых осуществляется за счёт движения вагона. Телевизионные камеры спроектированы для работы в условиях сильного загрязнения и предназначены для работы в широком диапазоне температур. Несмотря на то, что имеется специальная подсветка, условия освещённости, в которых работают телекамеры, существенно изменяются в зависимости от времени суток и от облачности. Если не принимать специальных мер для изменения режима работы телекамеры, то качество изображения во многих случаях оказывается неудовлетворительным. Возникла задача адаптации режима работы телекамеры к изменению условий освещённости с целью улучшения качества изображения. Необходимо обеспечить такое качество изображения, чтобы его можно было использовать для контроля состояния железнодорожных путей, как человеком-оператором, так и системами искусственного интеллекта.

В данной статье рассматривается оригинальный алгоритм адаптации телекамеры к изменению условий освещённости, и приводятся результаты испытаний функционирования телекамеры, снабжённой подобным алгоритмом. Известны алгоритмы[1,2,3], осуществляющие автоматическую настройку за счёт автоматической регулировки усиления, изменения времени накопления заряда, изменения положения диафрагмы. В предлагаемой статье также осуществляется автоматическая регулировка усиления, но приращение управляющих параметров определяются на основе анализа гистограммы кадра.

Телевизионная камера Spyder3(фирма DALSA, Канада ) обладает большим набором управляющих параметров, задающих режим её работы. По ряду причин в разрабатываемом алгоритме автоматической настройки были оставлены только три управляющих параметра: аналоговый коэффициент усиления(AG), аналоговое смещение(AOF) и цифровой коэффициент усиления(DG). Остальные управляющие параметры принимают постоянное значение и не меняются в процессе работы телекамеры. Каждому пикселю изображения соответствует цифровой однобайтный код(CD(i,j)). Этот код связан с первичным носителем информации X(i,j) следующей формулой

Величина X(k,p) зависит от освещённости соответствующей ячейки оптико-электронного преобразователя, от свойств этой ячейки, от управляющих параметров телевизионной камеры.

Цель адаптации заключается в том, чтобы максимизировать количество информации, содержащейся в кадре изображения, за счёт изменения перечисленных выше управляющих параметров телекамеры (DG,AG,AOF). Эти параметры рассматриваются как выходные сигналы регуляторов системы адаптации (рис.1). Выходными сигналами системы являются функционалы SиB, значения которых определены на текущем кадре изображения. Эти функционалы используются в качестве сигналов обратной связи системы адаптации.

Кадр, с математической точки зрения, представляет собой матрицу размерностью N*M, элементами которой являются целые числа, лежащие в диапазоне от 0 до 255 (так как каждый элемент изображения кодируется одним байтом). Гистограмма кадра является вектором, размерность которого равна 256. Обозначим i-ую координату этого вектора символом h[i]. Гистограмма вычисляется стандартным способом: h[i] равно числу элементов матрицы CD[k,p], для которых выполняется равенство CD[k,p]=i. Функционалы S = s[i]иB= b[i] определяются следующим образом.

Алгоритм адаптации заключается в том, чтобы за счёт изменения аналогового коэффициента усиления AGдобиваться выполнение неравенства (1)

b250min<b[250]<b250max, (1)

а за счёт изменения аналогового смещения AOF добиваться выполнения следующего неравенства (2)

s5min<s[5]<s5max, (2)

где b250min,b250maxи s5min, s5maxположительные целые числа, значения которых подбираются экспериментально.

Если при предельно допустимых значениях управляющего параметра (коэффициента усиления) AG неравенство (4) не будет справедливым, то для его удовлетворения надо изменять цифровой коэффициент усиления (DG).

Физический смысл алгоритма заключается в том, что количество пикселей, находящихся в состоянии насыщения (255 е.м.р.) или в близком к нему состоянии, не должно быть слишком большим или слишком малым. На рис.1 представлена функциональная схема системы автоматической настройки параметров телекамеры. Алгоритм реализован в виде компьютерной программы, написанной на языке С. С-функция получает ссылку на полученный от телекамеры кадр изображения, хранящийся в памяти компьютера. Кроме того, ей передаются текущие значения управляющих параметров телекамеры. С-функция вычисляет гистограмму для кадра изображения и функции b[250] и s[5]. Отклонения данных функций от заданных значений:

Дb250=(b250ref -b[250]) и Дs5=( s5ref -s[5]) подвергаются дискретизации по уровню. Дискретизированные по уровню отклонения ДDb250 иДDs5 линейно определяют приращения управляющих параметров AG иAOF:

C-функция выдаёт новые значения управляющих параметров как суммы старых значений и вычисленных приращений

C-функция входит в состав аппаратно-программного комплекса состоящего из четырёх телекамер (по две камеры на один рельс) и персонального компьютера, связанного с телекамерами сетью Ethernet. Программное обеспечение, частью которого является С-функция, обеспечивает архивирование видеокадров на жёстком диске

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

персонального компьютера. Коррекция управляющих параметров каждой из телекамер осуществляется 1 раз в секунду.Управляющий параметр AGизмеряется в децибелах(+10..-10 dB), а параметрAOFизмеряется в относительных единицах(0..255).

Испытания системы автоматической настройки параметров телекамеры проводились в октябре 2011 года. В процессе испытаний не выявлены ситуации, при которых получались кадры неудовлетворительного качества.

На рис.2и рис.3 представлены гистограммы, функции b[i] иs[i], на основании которых формируются выходные сигналы системы b[250] и s[5], а также график изменения сигналаb250[g] для кадра, который подвергается искусственному искажению с помощью линейного преобразования с насыщением

Отличие рисунков заключается в том, что на рис.2 изображены графики функций, рассчитанные для кадра, полученного при завышенном AG, а на рис.3изображены графики функций, рассчитанные для кадра, полученного при правильно подобранном AG.

Функция b250[g] равна функции b[250], рассчитанной при разных значениях коэффициента искусственного искажения кадра. При хорошем качестве изображения функция b[250] не должна быть меньше некоторого значенияb250minи больше b250max. Подобное же условие накладывается и на функцию s[5].

Анализ функций b250[g] и s5[g], проведённый для разных кадров, полученных при разных условиях освещённости, позволил подобрать величины параметров b250min,b250max,и s5minиs5max,а также подобрать такие параметры системы дискретизации по уровню отклонений функций b[250] и s[5] от заданных значений, которые обеспечивают высокое быстродействие и точность системы автоматической настройки параметров телекамеры.

В процессе выполнения работы были испытаны различные критерии автоматической настройки, в частности, критерии, связанные с нахождением таких функций, экстремальное значение которых достигается, при субъективно наилучшем качестве изображения. Например, рассматривалась следующая функция

которая в некотором смысле близка к полной вариации функции двух переменных. Однако экстремум этой функции не совпадал с экстремумом качества изображения.

На рис.4 представлен график зависимости полной вариации от коэффициента искажения изображения FV(g) для одного из кадров, взятого из архива испытаний. Наилучшее качество изображения соответствует коэффициенту g=1. Экстремум функции FV(g) находится на существенном удаление от этого значения.

Более хороший результат даёт другой критерий NFV, который использует нормированное значение полной вариации FV.

Нормирующий коэффициент SUM равен сумме яркостей всех пикселей кадра

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

На рис.5 представлен график зависимости нормированной полной вариации от коэффициента искажения изображения NFV(g) для одного из кадров, взятого из архива испытаний. Наилучшее качество изображения соответствует коэффициенту g=1.

настройка телекамера освещенность алгоритм

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Наилучшее качество изображения коррелирует с точкой начала уменьшения величины NFVпри росте коэффициента искажения g. Горизонтальный участок характеристики соответствует отсутствию пикселей, находящихся в насыщенном состоянии. На этом участке функции FV(g) и SUM(g) прямо пропорциональны друг другу, поэтому их отношение не меняется. Справа от горизонтального участка располагается падающий участок функции NFV(g). Падение объясняется тем, что с ростом g больше пикселей переходят в насыщенное состояние. Попытка использования данного критерия для автоматической адаптации к изменению условий освещённости не принесла удовлетворительных результатов. Это объясняется тем, что в реальной системе функция NFV вычисляется не для одного и того же кадра при разной освещённости, а для разных кадров, последовательно поступающих в компьютер от телекамеры.

В результате лабораторных экспериментов выяснилось, что наиболее хорошие результаты даёт метод, описанный в начале данной статьи, и использующий в качестве выходных координат системы функционалы b[i] и s[i]. Проверка метода в реальных условиях также подтвердила его работоспособность, достаточное быстродействие и качество получаемого изображения.

Библиографический список

Полупроводниковые формирователи сигналов изображения/ Под ред. П. Йесперса. - М.: Мир, 1979. - 575с.

Лобанов В.Д., Соловьев Е.В., Уваров Н.Е., Хитрово Н.Г. Управление чувствительностью камер на ФПЗС// Техника кино и телевидения. - № 9. - 1988. - С. 12-16.

Хорн Б.К.П. Зрение роботов / Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 487 с.

Размещено на Allbest.ru