УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ НОРМИРОВАННОГО ВИДЕОСИГНАЛА ДЛЯ СКАНИРОВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОБЪЕКТОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области оптико-механического и оптико-электронного приборостроения и может быть использована в устройствах сканирования изображений поверхностей объектов таких, например, как стреляные пули и гильзы.
Устройство предназначено для нормирования информационных сигналов телекамер путем регулирования освещенности наблюдаемых объектов.
Известно устройство для нормирования сигналов телекамер (см. патент на изобретение РФ №2089937, М.кл. G06K 9/36, H04N 5/235, опубл. 10.09.1997 г). Изобретение относится к устройствам сканирования изображения. Его использование позволяет повысить точность считывания изображения. Устройство содержит генератор тактовых импульсов, формирователь управляющих сигналов, линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью, компараторы и реверсивный счетчик. Благодаря введению управляемого делителя частоты, аналого-цифрового преобразователя, регистра сдвига и компаратора в устройстве обеспечивается поддержание максимальной чувствительности линейного фоточувствительного прибора с зарядовой связью при изменении освещенности объекта (источник оптического сигнала) в заданных пределах. Таким образом, в устройстве в качестве приемника света, отраженного от объекта, используется линейный фоточувствительный прибор с зарядовой связью (ФПЗС). При этом в начале определяются допустимые верхний и нижний уровни сигналов линейного ФПЗС, за которые не должен выходить сигнал ФПЗС при наблюдении объекта. Если величина считанного сигнала выходит за указанные пределы, то происходит изменение частоты опроса ячеек линейного ФПЗС, что эквивалентно изменению экспозиции электронным способом.
Однако при низких уровнях освещенности объекта из-за увеличения экспозиции (уменьшения частоты опроса) уменьшается быстродействие устройства и отношение сигнал/шум.
Известно устройство формирования видеосигнала для системы автоматического распознавания номеров транспортных средств (см. патент на изобретение РФ №2216784, М.кл. G08G1/017, H04N 5/235, опубл. 09.01.2002 г.), в котором нормирование выходного сигнала телекамеры при наблюдении объекта происходит следующим образом. В начале при четырех разных экспозициях производят наблюдение объекта. По результатам этих наблюдений вычисляют оптимальные экспозицию и необходимый размер диафрагмы объектива телекамеры. После этого устанавливают расчетные значения экспозиции и размер диафрагмы и фиксируют кадр наблюдения. Для этого устройство содержит объектив с управляемой диафрагмой, последовательно соединенные датчик видеосигнала, блок захвата видеокадра, АЦП и демультиплексор цифрового видеосигнала, последовательно которому подключены четыре корректора видеосигнала и четыре запоминающих устройства, выходы которых подключены к соответствующим входам мультиплексора цифрового видеосигнала, первый выход которого является выходом устройства, а второй - подключен к блоку управления, выходы которого подключены к соответствующим входам управления объектива с управляемой диафрагмой, датчика видеосигнала, блока захвата видеокадра, демультиплексора цифрового видеосигнала и мультиплексора цифрового видеосигнала.
Однако это устройство обладает невысоким быстродействием, обусловленным необходимостью проводить съемку четырех кадров для определения оптимальной экспозиции и дополнительным временем на установку расчетной величины диафрагмы. Кроме того, уменьшение размера диафрагмы может привести к уменьшению апертуры объектива телекамеры и, следовательно, к уменьшению разрешающей способности системы в целом.
Наиболее близким техническим решением к заявленному является устройство управления вспышкой на светодиоде (см. заявку на изобретение РФ №2007132856, М.кл. H04N5/235, опубл. 10.03.2009 г.), содержащее твердотельный излучатель света (светодиод), схему управления временем включения излучателя света, фотоприемник, подключенный через усилитель к аналого-цифровому преобразователю, сравнивающее устройство и устройство считывания изображения. Считывание данных считывающим устройством осуществляется синхронно с моментами включения излучателя. В считывающем устройстве в качестве приемника излучения используется матричный преобразователь с накоплением заряда на ПЗС (CCD) или на КМОП (CMOS). Алгоритм работы устройства сводится к следующему. На некоторый интервал времени включается излучатель при постоянном значении тока для получения образцового кадра. В этот момент времени свет, отраженный от объекта, попадает и на дополнительный фотоприемник (фотодиод или фототранзистор), и на устройство считывания. Световой поток, попавший на фотоприемник, пропорционально преобразуется в электрический сигнал в виде напряжения. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением в устройстве сравнения. По величине разностного сигнала на выходе устройства сравнения определяется новый интервал времени (экспозиция), в течение которого включается излучатель, и считывается изображение устройством считывания.
Данное устройство является конструктивно сложным из-за наличия в электрической схеме дополнительного фотоприемника и схемы сравнения, с помощью которых, по существу, осуществляется измерение освещенности объекта и формирование временных интервалов для включения излучателя. Кроме того, при наблюдении поверхностей объектов с низким коэффициентом отражения выходной сигнал устройства в большей степени искажается из-за снижения отношения сигнал/шум. Последнее обусловлено тем, что мощность излучения, падающего на поверхность объекта, остается неизменной в процессе наблюдения, изменяется только время наблюдения (экспозиция). Таким образом, при увеличении экспозиции увеличивается не только полезный сигнал (накопленные заряды ячеек ПЗС), но и увеличение составляющей шума, пропорциональной экспозиции.
Данное устройство выбрано за прототип.
Техническим результатом полезной модели является упрощение и унификация конструкции устройства и повышение отношения сигнал/шум информационных сигналов устройства.
Достижение указанного результата обеспечивается в предлагаемом устройстве формирования нормированного видеосигнала для сканирования изображений поверхностей объектов, содержащем излучатель света с высоким быстродействием, схему сравнения, фотоприемник, отличающемся тем, что содержит вычислительный блок, в котором имеется упомянутая схема сравнения, связанная с устройством памяти и процессором, устройство сканирования изображения (УСИ), например, телевизионную камеру, в которой имеется упомянутый фотоприемник, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), при этом вход излучателя света соединен с выходом ЦАП, вход которого соединен с выходом вычислительного блока, которым является выход процессора, а входная шина вычислительного блока, которой является входная шина устройства памяти, подключена к выходной шине устройства сканирования, причем излучатель света установлен таким образом, чтобы освещенная поверхность объекта наблюдения находилась в поле зрения устройства сканирования изображения, установленного таким образом, чтобы поверхность объекта наблюдения находилась в его предметной плоскости.
Введение в предлагаемое устройство устройства сканирования изображения, которым может быть телевизионная камера, позволяет поочередно проецировать фрагменты поверхности объекта наблюдения, находящиеся в ее поле зрения, на поверхность фотоприемника для последующего формирования изображений поверхности объекта наблюдения. При этом нормирование выходного сигнала устройства сканирования осуществляют путем изменения входного сигнала излучателя света, подаваемого на него с выхода введенного в предлагаемое устройство вычислительного блока после преобразования в ЦАП. Это позволяет нормировать сигнал, падающий на поверхность объекта наблюдения, и тем самым улучшить отношение сигнал/шум.
Нормирование выходного сигнала устройства сканирования осуществляется с использованием введенного вычислительного блока следующим образом.
Предварительно, получают зависимость сигналов фотоприемника УСИ от входных сигналов излучателя света при освещении образцовой поверхности. По полученной зависимости вычисляют коэффициенты образцового аппроксимирующего полинома, которые, наряду с нормированным значением выходного сигнала УСИ вводят в устройство памяти вычислительного блока. Уже в рабочем режиме устройства, измеряют среднее значение выходного сигнала УСИ при установленном значении входного сигнала излучателя и вводят их в устройство памяти вычислительного блока. Далее с помощью устройства сравнения проверяют лежит ли значение выходного сигнала УСИ в пределах допуска нормированного значения сигнала УСИ, и при нахождении выходного сигнала УСИ в заданных пределах производится запоминание кадра изображения. Если указанное условие не выполняется, то в процессоре вычислительного блока рассчитываются коэффициенты нового аппроксимирующего полинома, проходящего через точку с введенными координатами (средний сигнал УСИ и входной сигнал излучателя). Затем находят требуемое значение сигнала излучателя, как значение абсциссы точки нового аппроксимирующего полинома, ордината которой равна заданному нормированному значению среднего сигнала УСИ. В следующем цикле съема изображения на вход излучателя подают сигнал, рассчитанный по приведенному выше алгоритму и запоминают кадр изображения.
При этом данное устройство не требует, как в прототипе, дополнительного фотоприемника для измерения освещенности объекта и формирования временных интервалов для включения излучателя, что упрощает и унифицирует конструкцию устройства.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена структурная схема устройства формирования нормированного видеосигнала для сканирования изображений поверхностей объектов; на фиг.2 - зависимость сигналов фотоприемника УСИ от величины сигнала на входе излучателя при разных значениях коэффициента отражения наблюдаемой поверхности; на фиг.3 - графики полиномов, аппроксимирующих образцовые и измеренные данные и поясняющие алгоритм вычисления необходимого входного сигнала излучателя; на фиг.4 - блок-схема алгоритма вычисления входного сигнала излучателя, необходимого для получения нормированного значения сигналов фотоприемника УСИ.
Устройство формирования нормированного видеосигнала для сканирования изображений поверхностей объектов согласно фиг.1 содержит ЦАП 1, твердотельный излучатель 2 света, выполненный, например, на светодиоде или группе светодиодов, устройство 3 считывания изображения (УСИ), например, в виде телевизионной камеры с фотоприемником 4, например, в виде матричного или линейного ФПЗС и вычислительный блок 5. Излучатель 2 света подключен к выходу ЦАП 1, на вход которого поступают цифровые коды от вычислительного блока 5, входная шина которого соединена с выходной шиной УСИ 3. Вычислительный блок 5 преобразует сигналы, поступающие от УСИ, в цифровой код, эквивалентный по величине требуемому входному сигналу излучателя 2 света. ЦАП 1 преобразует цифровые коды, поступающие на его вход, в аналоговый сигнал в том виде, который необходим для работы излучателя 2. В случае использования излучателя 2 света, выполненного на светодиодах, входным сигналом может быть электрический ток.
УСИ 3, в общем случае, содержит проекционную систему, которая проецирует фрагмент поверхности РР объекта 6 на поверхность ФПЗС 4. В качестве исследуемых поверхностей могут быть как поверхности плоских объектов 6, так и поверхности 7 не плоских объектов 8, например цилиндров, шаров и тел других форм. Основное требование для неискаженного формирования изображения поверхностей неплоских объектов состоит в том, чтобы глубина резкости проекционной системы УСИ 3 была больше величины отклонения формы наблюдаемого фрагмента объекта от плоскости.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом.
Предварительно, в устройство памяти вычислительного блока 5 вводят ряд постоянных параметров: нормированный уровень сигналов УСИ 3, допустимый диапазон отклонения сигналов УСИ 3 относительно нормированного уровня и коэффициенты полинома, аппроксимирующего образцовые данные. При включении устройства излучатель 2 света излучает световой поток, соответствующий установленному значению входного сигнала на его входе. Этот световой поток облучает фрагмент поверхности 6, находящейся в предметной плоскости проекционной системы УСИ 3. Отраженные от фрагмента поверхности 6 лучи, попадающие в поле зрения проекционной системы УСИ 3, проецируются на плоскость ФПЗС 4, который преобразует распределение яркости в электрические сигналы. Последние с помощью согласующих схем УСИ 3 передаются в вычислительный блок 5, в котором по сигналам, полученным за кадр съемки УСИ 3, вычисляется среднее значение. Это среднее значение в схеме сравнения вычислительного блока 5 сравнивается с нормированным уровнем сигнала УСИ 3 и, если разница между указанными сигналами не превышает по модулю заданного допуска, то происходит запоминание текущего кадра изображения. В противном случае в вычислительном блоке 5, в соответствии с алгоритмом, рассмотренным ниже, вычисляется новое значение сигнала, подаваемого на вход ЦАП 1. Выходной сигнал ЦАП 1 воздействует на излучатель 2 света, изменяя величину его светового потока. Измененное значение светового потока поддерживается в течение следующего кадра съемки фрагмента изображения, который запоминается в устройстве памяти вычислительного блока 5.
Для получения развертки изображения всей поверхности объекта или ее значительной части объект перемещают так, чтобы в поле зрения проекционной оптической системы УСИ 3 был установлен новый фрагмент поверхности. Затем подают на вход излучателя 2 света через ЦАП 1 от вычислительного блока 5 сигнал, действовавший в предыдущем кадре съемки. Принятые от УСИ 3 сигналы по полю фрагмента поверхности усредняются. Полученное среднее значения сигнала УСИ 3 вновь сравнивается с нормированным уровнем и, если оно не выходит за определенные пределы, то кадр изображения запоминается, иначе вычислительный блок 5 рассчитывает новое значение входного сигнала излучателя 2 света, которое подается на его вход в следующем кадре съема изображения. Эти процессы повторяются до тех пор, пока не будут отсняты все необходимые фрагменты поверхности.
Перед началом работы устройства формирования нормированного видеосигнала для сканирования изображений поверхностей объектов выполняется ряд вспомогательных операций с целью формирования постоянных параметров, вводимых в вычислительный блок 5 для расчета значений сигналов излучателя 2 света. Для этого в предметную плоскость проекционной системы УСИ 3 вводят поверхность образцового объекта, коэффициент отражения которой лежит в середине диапазона возможных изменений коэффициентов отражения сканируемых поверхностей. Устанавливают коэффициент передачи УСИ 3, например, экспозицию и коэффициент усиления для телекамеры, используемой в качестве УСИ 3. Коэффициент передачи УСИ 3 в процессе работы не изменяется, что повышает быстродействие устройства, так как нет необходимости тратить время на переключение параметров УСИ 3. Затем получают образцовую зависимость среднего сигнала УСИ 3 от входных сигналов излучателя 2 света. Для этого через дискретные интервалы значений входных сигналов излучателя 2 света измеряют средние значения сигналов УСИ 3. Излучатель 2 света должен быть достаточно быстродействующим, надежным и мощным (по световому потоку).
max
min
min
black
В предлагаемом устройстве для повышения его быстродействия предпочтительным является применение светодиодного излучателя (СДИ) в качестве твердотельного излучателя 2 света. Подавая на вход СДИ 2 различные по величине токи, измеряют средние значения сигналов УСИ 3. В результате получают зависимость средних значений сигналов УСИ 3 от значений входных токов СДИ 2, показанную на фиг.2 под номером 0. Эта характеристика, которую назовем образцовой, носит нелинейный характер из-за нелинейности характеристики светодиодов. Диапазон изменения тока в данном случае простирается от 0 до максимально допустимого для светодиодов значения I. Светодиоды начинают светиться, начиная с некоторого минимального значения тока I. Поэтому до величины I выходной сигнал УСИ 3 остается неизменным и равен значению U соответствующему некоторому смещению, вызванному темновыми токами УСИ 3 или предварительными регулировками устройства.
min
Матричные и линейные ФПЗС обладают хорошей линейностью в широком диапазоне изменения освещенности. В связи с этим, при изменении коэффициента отражения наблюдаемой поверхности объекта, сигнал на выходе УСИ 3 будет меняться прямо пропорционально изменению коэффициента отражения поверхности. Если снять зависимости выходных сигналов U устройства 3 сканирования изображения от тока I СДИ 2, аналогичные образцовой зависимости при разных значениях коэффициентов отражения поверхностей, то получим зависимости, отображенные на фиг.2 кривыми 1 и 2. Кривые 1 и 2 относятся соответственно к поверхностям, у которых коэффициент отражения больше и меньше, чем коэффициент отражения образцовой поверхности (кривая 0). В диапазоне токов СДИ 2 от 0 до I графики кривых 0,1 и 2 совпадают, так как в этом диапазоне токов СДИ 2 не светится.
min
Граничной точкой на графиках является точка А, после которой графики начинают расходиться. Этой точке соответствует ток СДИ 2, равный I.
min
max
min
black
В диапазоне токов СДИ 2 от I до I подбирается аппроксимирующий полином степени "n" образцовой кривой 0. Для того чтобы в дальнейших вычислениях избежать влияния нулевого коэффициента полинома, смещаем точку А в начало координат. На фиг.3 представлена кривая 0 в новой системе координат X, Y, где Х=I-I, a Y=U-U. В этой новой системе координат рассчитываем коэффициенты образцового полинома, аппроксимирующего исходные образцовые данные. В результате получаем полином вида
n
n-1
i
1
0
n
n-1
i
1
Р(х)=ax+ax+…+ах……+ax+a, (1)
0
где a=0.
Если в этой же системе координат рассчитать коэффициенты аппроксимирующего полинома, например для кривой 1, соответствующей поверхности с большим коэффициентом отражения, то получим полином с новыми коэффициентами
n
n-1
i
1
0
n
n-1
i
1
Р(х)=bx+bx+…+bх……+bx+b, (2)
0
i
i
i
где b=0. Если не учитывать начальные смещения сигнала УСИ 3, которые постоянны в процессе работы, и учитывать пропорциональность изменения сигнала УСИ 3 от величины коэффициента отражения, то коэффициенты b=k*ах, где k - коэффициент пропорциональности, равный отношению коэффициента отражения наблюдаемой поверхности к коэффициенту отражения образцовой поверхности.
min
black
Коэффициенты образцового полинома вводят в вычислительный блок 5 наряду с координатами точки A(I, U) в качестве постоянных параметров. Указанные выше операции производятся один раз, после чего устройство может выполнять свои основные операции по нормированию видеосигналов.
Алгоритм работы вычислительного блока 5 представлен на блок-схеме фиг.4. Нумерация этапов алгоритма соответствует нумерации разделов программы. Ниже перечислены этапы алгоритма:
m
1. На СДИ 2 подается ток, величина которого определена либо в начале работы (среднее значение), либо в результате проведенных расчетов в вычислительном блоке 5. На фиг.2 этот ток обозначен как I. При этом токе СДИ 2 происходит засветка фрагмента поверхности и съем кадра.
m
m
m
2. По снятому кадру определяется среднее значение сигнала УСИ 3 (U). Значениям I и U на диаграмме (фиг.2) соответствует точка М.
m
n
m
n
n
m
3. Проверяется условие, не выходит ли за установленные пределы значение U, т.е. проверяется условие U-ΔU<U<U+ΔU, где U - установленное нормированное значение сигнала УСИ 3, ΔU - допуск на нормированное значение сигнала УСИ 3. Если условие выполняется, то запоминается снятое изображение и значение тока СДИ 2 при снятии следующего кадра изображения остается прежним, т.е. равным I.
m
m
n
4. Вычисляем смещенные значения (см. фиг.3) тока СДИ 2 (Х), усредненного сигнала УСИ 3 (Y) за кадр и уровня нормированного сигнала УСИ 3 (Y), которые вычисляются в соответствии со следующими выражениями:
m
m
min
m
m
black
n
n
black.
X=I-I; Y=U-U; Y=U-U
m
m
1
m
m
m
m
min
m
m
black
5. В несмещенной системе координат точке М(фиг.2) с координатами I, U соответствует точка M в смещенной системе координат (фиг.3) c координатами Х, Y, где Х=I-I, Y=U-U.
m
m
0
0
Вычислительный блок 5 в соответствии с выражением (1) вычисляет для Х значение образцового полинома Р(х), которому на фиг.3 соответствует точка М с ординатой Y.
m
0
6. Вычисляется коэффициент пропорциональности K=Y/Y.
i
1
m
m
i
i
7. Вычисляются коэффициенты b нового полинома, который включает в себя точку M с координатами Х, Y (фиг.3). Эти коэффициенты равны b=К*а.
i
n
8. Определяется точка пересечения нового аппроксимирующего полинома (с коэффициентами b) с нормированным смещенным уровнем сигнала УСИ 3 (фиг.3). Для этого полиному (2) приравнивается значение смещенного нормированного сигнала Y
n
n-1
i
1
0
n
n
n-1
i
1
bx+bx+…+bх……+bx+b=Y. (3)
с
При решении этого уравнения вычисляется абсцисса Х точки С1 пересечения
n
с
полинома (2) (кривая 1) с прямой Y. Величина Х отличается от реального
min
значения тока СДИ 2 на величину смещения I.
min
9. Вычисляется реальное расчетное значение тока СДИ 2 Ic=Хс+I
10. На выходах вычислительного блока 5 устанавливается код, соответствующий расчетному значению тока СДИ 2. (Ic).
11.Включается СДИ 2 (через ЦАП 1) при установленном значении тока.
Рассмотрим пример выполнения блоков предлагаемого устройства.
В качестве ЦАП 1 могут быть использованы ЦАПы типа AD420, AD421 фирмы Analog Devices.
В качестве излучателя 2 могут использоваться как излучатели направленного действия (с узкой диаграммой направленности излучения), например, одиночные светодиоды типа TLRH190P (Toshiba) и светодиодные кластеры (Kingbright), так и излучатели рассеянного света, например, светодиодные индикаторы в виде полоски типа KB-H100SRD. Выбор типа излучателя зависит от расстояния, на котором исследуемая поверхность находится от устройства сканирования изображения и типа следов на поверхности.
В качестве устройства сканирования изображения 3 может быть использована телевизионная камера, например, типа SDU-259 (производитель - ООО «Спецтелетехника»).
Вычислительный блок 5 может быть построен на базе одного из процессоров типа TMS320C6472 (Texas Insntruments), Intel Pentium SU4100, Intel Pentium Dual-Core E5400 или ADSP 2185 (Analog Devises) с запоминающим устройством, например, типа KHX6400D2K2/4G CL5 (Kingston) и, при необходимости, с элементами ввода/вывода цифровой информации, через которые осуществляется связь вычислительного блока с УСИ и ЦАП, на процессор устанавливается программа, реализующая вышеприведенный алгоритм.