Устройство для определения углового положения объектов заданного цвета и пространственных признаков

Полезная модель относится к области прикладного телевидения и может быть использована в системах телевизионной (ТВ) автоматики и автоматического регулирования, в следящих устройствах, различных системах технического зрения для определения дальности до объектов, их размеров, углового положения объектов в кадре на основе их ТВ изображений, выработки на основе углового отклонения объекта от заданного, управляющих сигналов для управления линией визирования электронной стабилизации ТВ изображений и т.д.
i
i
Принципы определения параметров объектов на основе ТВ изображений нашли свое отражение в работах [1, 2]. Использование видеоинформации с ТВ камеры для вычисления параметров объектов может осуществляться в измерительной системе координат ТВ камеры Оху [3]. При этом, если х, у - измерительная система координат, центр которой О совмещен с центром рабочей поверхности матричного фотоприемника (МФП), то положение изображения центра объекта на МФП характеризуется координатами x и y.
i
i
i
i
i
i
Если через центр МФП ТВ камеры проходит ось оптической системы, то координаты x и y, характеризуют угловое отклонение линии визирования объекта от оптической оси. Другими словами, текущие величины координат x и y характеризуют угол «рыскания» и угол «тангажа» объекта наблюдения (фиг. 1), а значения Δx и Δy расстояние от центра МФП до центра наблюдаемого объекта (объекта селекции).
В работе [1] представлены ТВ устройства летательных аппаратов, где отражаются вопросы построения ТВ визиров или координаторов. В общем случае ТВ визир может измерять угловое отклонение объекта от оптической оси ТВ камеры в горизонтальной и вертикальной плоскостях и может осуществлять выработку сигналов управления по углу «рыскания» (влево-вправо) и углу «тангажа» (вверх-вниз) в измерительной систем координат ТВ камеры Оху.
В ней также рассматриваются ТВ визиры с амплитудной, а также корреляционной обработкой видеосигналов применительно к обработке одноканальных черно-белых ТВ изображений, что является их недостатком. Это связано с тем, что необходимо использовать ТВ изображения с высокой контрастностью цели и фона. Недостаточный уровень освещенности объектов приводит к снижению уровня сигнала и контрастности ТВ изображения, что в конечном итоге влияет на точность определения координат и положения объекта в пространстве.
Наиболее близким по совокупности операций и техническим признакам является устройство определения углового положения объектов заданного цвета, согласно патенту [4].
i
х
у
Структурная схема устройства для определения углового положения объектов заданного цвета и представляет собой ТВ автомат, имеющий блоки и узлы, включающие спектрозональную ТВ камеру, m - аналого-цифровых преобразователей (АЦП) видеосигналов, формирующих на своих выходах цифровые сигналы в n-разрядном двоичном коде и представленные в параллельном виде, первая группа m-дешифраторов сигналов, вторая группа m-дешифраторов сигналов, коммутатор выбора сигнала объектов заданного цвета, сумматор сигналов, знакогенератор, видеоконтрольное устройство (ВКУ), блоки и панель управления, исполнительное устройство, вычислительное устройство с возможностью определения углового отклонения α объектов заданного цвета по углу рыскания (α) и углу тангажа (α).
1
n
1
i
m
1
i
m
Принцип работы устройства заключается в следующем. Спектрозональная ТВ камера, осуществляет регистрацию лучистого потока отраженного от объектов в m-зонах спектрального участка от λ до λ, при этом m≥3. После преобразования лучистого потока осуществляется формирование m-спектрозональных видеосигналов U(t), …, U(t)…, U(t), каждый из которых поступает на вход своего АЦП и тем самым образуя m-информационных каналов. На выходах АЦП формируются цифровые сигналы в n-разрядном двоичном коде, которые представлены в параллельном виде. Они поступают на входы первой группы дешифраторов 4, … 4, …, 4, каждый из которых может быть настроен на определенную кодовую последовательность импульсов, поступающих от АЦП с помощью блока установки амплитуды входных сигналов в каждом информационном канале.
При совпадение кодовой последовательности импульсов на выходе первой группы дешифраторов, формируются сигналы логической единицы "1" или нуля "0" в случае не совпадения. Эти сигналы поступают на вторую группу дешифраторов, каждый из которых на своем выходе формирует сигнал логической единицы "1" в случае совпадения определенной кодовой последовательности сигналов на ее входах.
m
Далее сигналы логической единицы с выходов второй группы дешифраторов поступают на входы блока выборки (коммутатора) сигналов объектов заданного цвета. Этот блок выбора цвета объекта дает разрешение на коммутацию одного сигнала с 1, 2, …, i, …, 2 входа коммутатора на его выход. С выхода коммутатора сигнал логической единицы заданного цвета (заданной спектральной характеристики) объекта поступает на вход вычислительного устройства.
Оператор может наблюдать на экране цветного видеоконтрольного устройства (ВКУ) все объекты, а также выделенный объект заданного цвета и его отображаемые параметры, формируемые с помощью знакогенератора. С выхода спектрозональной ТВ камеры поступают синхронизирующие импульсы на вход местного генератора тактовых и управляющих импульсов, с выхода которого поступают импульсы на вторые входы АЦП а также на соответствующие входы других вспомогательных блоков. С помощью пульта управления, оператор может изменять исходные данные и алгоритм работы вычислительного устройства.
i
х
у
Как было ранее сказано, вычислительное устройство выполнено с возможностью определения углового отклонения α объектов заданного цвета по углу «рыскания» (α) и углу «тангажа» (α). Это осуществляется на основе выражения
1
2
x
y
где С=С⋅С - постоянная величина, определяемая допустимыми углами измерения возможного отклонения объекта по углам рыскания и тангажа и априорно известными параметрами ТВ камеры; ΔZ и ΔZ - число элементов и строк приходящее на угловое отклонение линии визирования объекта от оптической оси ТВ камеры по горизонтали и вертикали.
1
При этом значение постоянной величины С находится согласно
i
i
i
на основе известных табличных тригонометрических функций для функции tg α при принятых значениях возможного отклонения по углу рыскания и тангажа, например, когда 1°≤α≤20°, где значения C определяются зависимостью
2
а значение постоянной величины С определяется на основе выражения
1
где X - линейный размер рабочей поверхности МФП по горизонтали или вертикали; Z - число активных строк в ТВ кадре; F - фокусное расстояние объектива спектрозональной ТВ камеры.
x
y
Подсчет числа элементов и строк, приходящих на угловое отклонение линии визирования объекта от оптической оси ТВ камеры по горизонтали и вертикали ΔZ и ΔZ можно осуществить различными способами [3, 4], например, путем выделения длительности сигналов, от центра МФП до объекта. При этом длительность ТВ сигналов изображения по горизонтали (строке) и вертикали (кадру) может быть представлена в виде определенного числа стробирующих импульсов заданной частоты
Следует отметить, что наблюдаемые объекты в спектрозональных ТВ изображениях наделены некоторым множеством информационных признаков, включающих:
спектрально-энергетические признаки (СЭП) объектов, которые отражают яркость, цветовой тон, насыщенность цвета, яркостную, цветовую и тепловую контрастность изображения и т.д.;
пространственные признаки (ПП) объектов, которые отражают размер, форму, конфигурацию и др.;
динамические и дополнительные признаки (ДП) объектов, отражающие координаты и их изменение во времени, скорость движения объекта и фона и т.д.
При этом малая контрастность формируемых спектрозональных ТВ изображений, по своей природе может быть обусловлена различными причинами:
слабой отражательной способностью объекта и фона;
близкими между собой спектральными характеристиками объекта и фона;
слабой освещенностью или излучательной способностью объекта и фона;
плохой прозрачностью дистанционной среды и другими факторами.
Из-за перечисленных факторов, которые могут влиять на качество формируемого изображения, недостатком рассмотренного патента [4] является то, что при увеличении дальности наблюдения до объектов, начинают теряться спектральные признаки (цвет) объектов, но их ПП будут еще сохраняться. Поэтому, в таких ситуациях, привлечение дополнительной информации по задаваемым ПП объектов, позволит определять угловое отклонение объекта по углу «рыскания» и углу «тангажа» в ТВ изображении.
Технический результат - расширение функциональных возможностей по увеличению дальности обнаружения объектов заданного цвета за счет привлечения информации по их пространственным признакам, повышению точности определения углового положения объектов и осуществления их автосопровождения с формированием управляющих сигналов для электронного совмещения линии визирования изображения объекта с оптической осью ТВ камеры.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства для определения углового положения объектов заданного цвета, представляющем собой ТВ автомат, имеющий блоки и узлы, включающие спектрозональную ТВ камеру, аналого-цифровые преобразователи видеосигналов, для формирование на их выходах цифровых сигналов в n-разрядном параллельном двоичном коде, дешифраторами сигналов, объединенные в первую группу, и дешифраторы сигналов, объединенные во вторую групп, при этом выходы аналого-цифровых преобразователей видеосигналов соединены с соответствующими входами дешифраторов первой группы, выходы которых соединены со входами первого коммутатора сигналов заданного цвета, выходы которого соединены со входами вычислительного устройства, а также сумматор-коммутатор на входы которого подаются видеосигналы со спектрозональной ТВ камеры, а его три выхода соединены со входами цветного ВКУ, кроме того сигнал с вычислительного устройства поступает на вход знакогенератора, выход которого соединен с одним из входов сумматора-коммутатора, исполнительное устройство соединенное с выходами вычислительного устройства, которое выполнено с возможностью определения углового отклонения объектов заданного цвета по углу рыскания и углу тангажа, согласно полезной модели, дополнительно в него введены регулируемый блок формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко», блок формирования сигналов изображений объектов заданных пространственных признаков, а также второй коммутатор сигналов изображений, причем первый выход блока формирования измерительных сигналов, имеющий на первом выходе сигнал изображения типа «рамка» соединен с сумматором-коммутатором, а второй его выход, имеющий сигнал изображения типа «окошко», соединен с одним из входов вычислительного через второй коммутатор сигналов изображений, кроме того один из выходов сумматора-коммутатора соединен с одним из входов вычислительного устройства, которое выполнено с возможностью определения также задаваемых пространственных признаков объектов, при этом один из выходов исполнительного устройства соединен с платформой, на которой установлена спектрозональная ТВ камера, которая под воздействием исполнительного устройства на платформу, может изменять свое положение по углу «рыскания» и углу «тангажа» для совмещения линии визирования изображения объекта и оптической оси ТВ камеры.
В качестве сигнала изображения типа «рамка» для наведения его на изображения объекта селекции по экрану цветного ВКУ могут быть использованы и другие сигналы, например, типа «крест», «рамка + крест», «прерывистая рамка + крест» и т.д.
Преимущество данного подхода, состоит в том, что сохраняется возможность определения углового отклонения объекта по углу «тангажа» и углу «рыскания» при увеличении дальности нахождения объектов в поле зрения спектрозональной ТВ камеры. Это достигается за счет привлечения дополнительной информации по пространственным признакам объектов селекции и участия оператора в формировании сигналов изображений типа «рамка» для выполнения операции селекции объекта с заданным цветом и пространственными признаками. Причем визуальное совмещение оператором центра изображения типа «рамка» с центром изображения объекта селекции предварительно повышает точностью определения углового отклонения объекта по углу «тангажа» и углу «рыскания» в вычислительном устройстве.
На фиг. 1 показана проекция оптического изображения наблюдаемого пространства на рабочей поверхности матричного фотоприемника (МФП) спектрозональной телевизионной камеры.
На фиг. 2 представлена структурная схема устройства для определения углового положения объектов заданного цвета и пространственных признаков.
На фиг. 3 показаны условные изображения объекта наблюдения и сигнала изображения типа «рамка» для двух случаев их расположения в поле зрения спектрозональной телевизионной камеры.
Позиции на фиг. 2:
1 - спектрозональная телевизионная камера;
1а - платформа, на которой установлена спектрозональная телевизионная камера;
2 - аналогово-цифровые преобразователи (АЦП);
3 - местный генератор импульсов;
4 - дешифраторы сигналов первой группы;
5 - дешифраторы сигналов второй группы;
6 - первый коммутатор сигналов объектов заданного цвета;
7 - вычислительное устройство параметров объектов;
8 - исполнительное устройство;
9 - знакогенератор;
10 - цветное видеоконтрольное устройство (ВКУ);
11 - пульт управления;
12 - сумматор-коммутатор сигналов;
13 - панель управления;
14 - блок установки амплитуды входных сигналов в каждом канале;
15 - регулируемый блок формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко»;
16 - второй коммутатор сигналов изображений;
17 - блок формирования сигналов изображений объектов заданных пространственных признаков.
1
n
1
i
m
1
i
m
В устройстве для определения углового положения объектов произвольного цвета и пространственных признаков (фиг. 2), спектрозональная ТВ камера 1, осуществляет регистрацию лучистого потока отраженного от объектов в m-зонах спектрального участка от λ до λ, при этом m≥3. После преобразования лучистого потока осуществляется формирование m-спектрозональных сигналов изображений U(t), …,U(t) …, U(t), каждый из которых, с одной стороны, поступает на вход своего АЦП 2, …, 2, …, 2, а с другой стороны на информационные входы сумматора-коммутатора сигналов 12.
При необходимости, в устройстве с помощью пульта управления 11, подается разрешающий сигнал на включение регулируемого блока формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко» 15, сигнал с первого выхода которого, в виде изображения типа «окошко», через второй коммутатор сигналов 16 поступает на вычислительное устройство 7, а сигнал со второго его выхода в виде изображения типа «рамка» (фиг. 3) поступает на один из входов сумматора-коммутатора сигналов 12 и отображается на экране цветного ВКУ 10. Кроме того с пульта управления 11, через блок формирования сигналов изображений объектов заданных пространственных признаков 17 на один из входов вычислительного устройства 7 подается сигнал, определяющий задаваемые пространственные признаки объекта селекции с заданным цветом.
Для объекта заданного цвета и пространственных признаков оператор наводит изображение типа «рамка» на изображение наблюдаемого объекта на экране цветного ВКУ. Это соответствует изображению типа «рамка» наведенного на изображение объекта селекции, как показано на фиг. 3 (вариант А). При этом центр изображения объекта селекции должен быть визуально совмещен с центром изображения типа «рамка» или, например, «крест».
p
o
На экране цветного ВКУ линейный размер изображения типа «рамка» L выбирается, например, исходя из минимально возможного линейного размера изображения объекта селекции L по строке и кадру поля ТВ изображения. В этом случае, он должен удовлетворять условию
Естественно, что в выражении (6) линейный размер изображения типа «рамка» и объекта селекции на экране цветного ВКУ может быть представлен числом элементов и строк приходящих на их изображения по горизонтали и вертикали с выделения длительности сигналов изображений, согласно (5).
При увеличении линейного размера объекта селекции в процессе его наблюдения, увеличивается и линейный размер изображения типа «рамка» и «окошко» за счет воздействия формируемых управляющих сигналов с вычислительного устройства 7 на регулируемый блок формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко» 15.
Для автосопровождения объектов заданного цвета и пространственных признаков с сохранением их положения внутри изображения типа «рамка» в вычислительном устройстве вырабатывается управляющий сигнал перемещения, который воздействуя на регулируемый блок формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко» изменяет их местоположение в ТВ растре по углу «рыскания» и углу «тангажа», если необходимо, изменяет и их размер, чтобы изображение объекта селекции всегда находилось в центре изображений типа «рамка».
ок
Роль сигнала изображения типа «окошко», заключается в том, что он поступая в вычислительное устройство дает разрешение на обработку сигнала только для той части ТВ изображения, где находится сигнал изображения типа «окошко» и соответственно сигнал изображения типа «рамка». Для достижения надежного изменения местоположения сигнала изображения типа «рамка» и «окошко» и точности слежения за объектом селекции, линейный размер сигнала изображений типа «окошко» L, который поступает на вход вычислительного устройства выбирается для обработки сигналов с некоторым запасом по строке и кадру ТВ изображения, а именно больше линейного изображения «рамка» не менее, чем на величину
i
Далее, управляющий сигнал перемещения воздействует на регулируемый блок формирования сигналов изображений типа «рамка» и «окошко» в течении времени Δt до тех пор, пока не изменится их местоположение по углам «рыскания» и «тангажа» в ТВ растре и объект селекции не будет в центре изображения типа «рамка», а центр изображения типа «рамка» не будет совмещен с центром оптической оси спектрозональной ТВ камеры на экране цветного ВКУ (вариант В, фиг. 3).
Источники
1. Барсуков Ф.И., Величкин А.И., Сухарев А.Д. Телевизионные системы летательных аппаратов/ Под ред. А.И. Величкина. - М.: Сов. Радио, 1979. - 256 с.
2. В.В. Коротаев, А.В. Краснящих. Телевизионные измерительные системы / Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 108 с.
3. Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д., Сагдуллаев Т.Ю., Смирнов А.И. Информационно-измерительные системы телевидения. - М.: "Спутник+", 2013. - 199 с.
4. Патент РФ на полезную модель №151920. Устройство для определения углового положения объектов заданного цвета/ Вилкова Н.Н., Ковин С.Д., Сагдуллаев Ю.С., Рожков К.Ю. Опубл.20.04.2015 г.