Главная | Обратная связь

Основи формування телевізійних вимірювальних систем (ТВС).

Телевізійні системи візуального спостереження (ТСВС) призначені для перетворення оптичного зображення в електричний сигнал – відеосигнал, передачі його по каналах зв'язку і формування в місці прийому телевізійного (ТВ) зображення, або цифрового зображення, у більшій або меншій ступені подібного вхідному оптичному зображенню. Вимоги до якісних показників ТВ-зображення формуються в основі критерію фізіологічно точного відтворення з обліком основних психофізіологічних властивостей зорового апарата людини, що в остаточному підсумку і є споживачем візуальної інформації на виході ТВ-системи.

Маючи справу з вимірюванням, на відміну від телевізійних систем візуального спостереження, що вирішують задачі неспотвореної передачі на відстань й якісне відтворення візуальної інформації, основною задачею вимірювального телебачення є добування кількісної інформації про об'єкти, що перебувають у полі зору телевізійного вимірювального давача (ТВД), з метою її використання для конкретних задач контролю й керування. Телевізійні вимірювальні системи (ТВС) призначені для дистанційного автоматичного контролю за станом простору в куті поля зору ТВД, виміру параметрів сукупності об'єктів, що перебувають у контрольованому просторі, і при необхідності для керування станом і взаємодією цих об'єктів. Це дозволяє віднести до ТВС широкий клас приладів і пристроїв, використовуваних у прикладному та промисловому телебаченні для збору і обробки різноманітної інформації, а також для контролю та керування технологічними процесами в складі робототехнічних комплексів. ТВС діляться на автоматизовані (або напівавтоматичні), у яких необхідна наявність оператора для роботи системи, і повністю автоматичні − функціонують без участі оператора. При складанні технічного завдання на розробку який-небудь ТВС, а також технічних умов її застосування необхідно сформулювати ряд основних параметрів і характеристик, до числа яких ставляться наступні:

Точнісні параметри та характеристики(параметри виміру, виявлення та розпізнавання). Що стосується вимірювальних систем тут звичайно йде мова про середньоквадратичні або граничні похибки виміру, про стабільність метрологічних параметрів і т.п. Стосовно до ТВС, що вирішує задачі попереднього виявлення або розпізнавання об'єктів, звичайно вказуються такі параметри як припустима ймовірність помилкового виявлення (помилкової ідентифікації) і, навпаки, імовірність пропуску (з) об'єктів за умови його знаходження в зоні спостереження. Як характеристики виявлення (розпізнавання) використаються, наприклад, залежності правильного виявлення (розпізнавання) від відношення сигнал/шум (при фіксованих значеннях припустимої ймовірності помилкового виявлення, помилкової ідентифікації) і ін.

Функціональні параметри.Число й вид вимірюваних величин (або об'єктів спостереження), діапазон вимірюваних величин, час виміру (виявлення або розпізнавання об'єктів), готовність до роботи після включення, ступінь автоматизації контролю вихідних величин й ін.

Експлуатаційні параметри.Температурний діапазон, припустимий рівень механічних впливів (ударів, вібрацій), надійність системи, можливість її адаптації або самоадаптації при зміні умов спостереження. Габарити, маса, споживана потужність й ін.

Економічні показники.Вартість окремих компонентів і системи в цілому, ступінь їхньої уніфікації й ін.

Необхідно пам'ятати, що під параметром розуміють чисельне значення якої-небудь величини, що визначає відповідну якість системи (наприклад, середньоквадратична похибка вимірювання); характеристика являє собою залежність того або іншого параметра від зміни одного із зовнішніх факторів (наприклад, залежність середньоквадратичної похибки від температури).

ТВС можна розділити на три основних типи: що реєструють, з адаптацією й керуючі. Схема ТВС типу, що реєструє, наведена на рис. 6.1.

 

 

 

Рис 6.1. Структурна схема ТВС реєструючого типу

 

До її складу входять ТВД, які призначені для формування зображення об'єкта, що перебуває в поле зору системи, і передачі його у вигляді електричного сигналу у вимірювальний блок (ВБ). Вимірювальний блок призначений для здійснення попередньої обробки зображення (фільтрації, перетворення стандартів, посилення й ін.), добування кількісної інформації про об'єкт і формування сигналу для пристрою індикації та реєстрації (ПІР) результатів. Пристрій індикації призначений для відображення результатів інформації про об'єкт виміру й, при необхідності, їхньої реєстрації. Для успішної роботи ТВС даного типу необхідно пред'явити вимірюваний об'єкт у поле зору ТВД і створити стабільними, обумовленими властивостями ТВД, умови спостереження за об'єктом. У загальному випадку алгоритм роботи вимірювального блоку повинен передбачати автоматичний пошук і виявлення об'єкта.

У випадку, коли розміри об'єкта, його місце розташування, освітленість й інші параметри можуть змінюватися в широких межах, доцільно використати більше зроблені ТВС із адаптацією до умов спостереження (рис. 6.2). У системах такого типу, у порівнянні із уже відомою структурою уведений додатково контур адаптації, що складає з формувача керуючих сигналів (ФКС) і виконавчого пристрою (ВП), що змінює той або інший параметр ТВД (наприклад, поворот оптичної осі, зміна кута зору, діафрагми об'єктива й т.д.) таким чином, щоб оптимізувати умови виміру контрольованого параметра об'єкта. Сполучення функцій спостереження й виміри забезпечує ТВС із адаптацією високу точність і стійкість результатів виміру. Структура системи дозволяє також робити автоматичний пошук і виявлення об'єкта.

 

Рис. 6.2. Схема ТВС із адаптацією

 

Телевізійні вимірювальні системи керуючого типу (рис. 6.3) містять додатково контур керування, аналогічний за структурою контуру адаптації й що дозволяє підтримувати на заданому рівні або змінювати по заданій програмі контрольований параметр об'єкта.

 

 

Рис. 6.3. Схема ТВС керуючого типу

 

Слід зазначити, що, незважаючи на однакову структуру контурів адаптації й керування, вони виконують різні функції, мають у своєму складі різнорідні виконавчі механізми й управляються різними сигналами, хоча й мають загальне інформаційне джерело для формування керуючих сигналів - телевізійне зображення об'єкта. Можна представити, наприклад, ТВС промислового застосування, що використається для контролю й керування нагріванням деталі, переміщуваної в ході технологічного процесу відносно ТВД.

Контур адаптації в такій системі повинен автоматично стабілізувати положення зображення деталі в центрі ТВ-растру шляхом повороту ТВД слідом за переміщуваною деталлю. Такий режим спостереження реалізується на основі виділеної з відеосигналу координатної інформації про об'єкт. Контур керування, у свою чергу, на основі виділеної із ВР інформації про колірну температуру об'єкта автоматично регулює режим роботи нагрівального елемента таким чином, щоб у потрібний момент була досягнута й підтримувалася задана температура нагрівання деталі. Звідси видно, що ТВС керуючого типу можуть забезпечувати рішення робототехнічних задач.

Порівняння структурних схем телевізійних систем візуального спостереження й вимірювальних телевізійних систем дозволяє встановити, що між ними загального, і, з іншого боку, указати на принципові розходження між ними. Ознакою, відповідно до якого обидва типи систем варто віднести до телевізійних, є наявність ТВД, що пов'язане з однаковим способом перетворення оптичного зображення спостережуваної сцени (об'єкта) у відеосигнал. Основна ж відмінність між системами складається в призначенні й подальшому використали відеосигналу. У телевізійних системах візуального спостереження обов'язковою заключною операцією є перетворення відеосигналу в зображення, при цьому якість роботи системи оцінюється ступенем відповідності ТВ-зображення на екрані до його оптичного оригіналу. Вибір ТВ-стандарту, удосконалювання окремих вузлів, введення коригувальних блоків (протишумова, апертурна, γ-корекція) і інші заходи щодо модернізації віщальної системи спрямовані в остаточному підсумку на поліпшення якості ТВ-зображення підвищення його інформативності, досягнення максимального зорового ефекту.

Принципово важливою відмінною рисою ТВС є наявність вимірювального блоку, призначеного для обробки ВР із метою добування з нього інформації про спостережуваний об'єкт і виміру контрольованих параметрів цього об'єкта. Саме ця ознака - наявність вимірювального блоку - є визначальним для віднесення системи до класу ТВС. Конкретна конфігурація структури ТВС, характер взаємодії й спосіб реалізації вхідних у неї вузлів визначаються призначенням системи, типом розв'язуваної задачі й можуть бути надзвичайно різноманітними, однак незмінним залишається наявність вимірювального блоку.

Наступною відмінною рисою ТВС є спосіб подання інформації на виході системи. На відміну від телевізійних систем візуального спостереження, у яких інформація представляється у вигляді ТВ-зображення на екрані відео контрольного пристрою й призначається для візуального сприйняття, у ТВС вихідна інформація у вигляді цифрових або аналогових сигналів надходить на пристрій реєстрації й індикації або ж використається в каналі керування. Характерною рисою цих сигналів є однозначний зв'язок між параметром інформаційного сигналу й вимірюваним параметром об'єкта. Наприклад, у телевізійному лічильнику числа об'єктів результат виміри може бути представлений у вигляді цифрового двійкового коду на виході вимірювального блоку. У блоці індикації й реєстрації число у двійковому коді перетвориться в десяткове число, що висвітлюється на цифровому табло. Отриманий результат може бути піддадуть однозначній оцінці незалежно від індивідуальних і суб'єктивних особливостей споживача інформації. Звідси треба, що можливо побудову об'єктивного кількісного критерію якості роботи ТВС, заснованої на дослідженні точнісних характеристик результатів вимірів. Створення аналогічного критерію для телевізійних систем візуального спостереження утруднено, як ми вже відзначали, через відсутність узагальненого кількісного й, головне, об'єктивного критерію оцінки якості зображення.

Слід зазначити, що в деяких випадках як пристрій індикації й реєстрації в ТВС використається телевізійний екран, на якому для зручності роботи оператора відтворюється ТВ-зображення спостережуваного об'єкта й результати виміру параметрів цього об'єкта у вигляді буквено-цифрової інформації, сполученої із зображенням. В автоматичних ТВС керуючого типу блок індикації взагалі може бути відсутнім. Таким чином, наявність або відсутність блоку індикації, тип індикатора ставляться до числа несуттєвих ознак ТВС.

За вказаним вище описом можемо сказати, що для створення ТВС може, фактично, виступати будь-які цифрові та аналогові телевізійні системи відео нагляду різного класу.