Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии




НазваниеВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии
страница1/6
Дата конвертации27.04.2013
Размер0.55 Mb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5   6
ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2012. № 1 (33)


Информационные технологии


УДК 681.3


Система автоматической настройки УПРАВЛЯЮЩИХ параметров телекамеры

В.А. Арефьев1, И.В. Кандалов2, П.К. Кузнецов1, О.Б. Симаков2, А.А. Шиханов2

1Самарский государственный технический университет

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

2 ЗАО НПЦ ИНФОТРАНС

443001, г. Самара, ул. Полевая, 47

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 S и B, 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] и B = b[i] определяются следующим образом.





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

b250min
а за счёт изменения аналогового смещения AOF добиваться выполнения следующего неравенства (2)

s5min
где b250min,b250max и s5min, s5max положительные 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:





Δb250=(b250ref -b[250]) и Δs5=( s5ref -s[5]) подвергаются дискретизации по уровню. Дискретизированные по уровню отклонения ΔDb250 и ΔDs5 линейно определяют приращения управляющих параметров AG и AOF:





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



персонального компьютера. Коррекция управляющих параметров каждой из телекамер осуществляется 1 раз в секунду. Управляющий параметр AG измеряется в децибелах(+10..-10 dB), а параметр AOF измеряется 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.2 и рис.3 представлены гистограммы, функции b[i] и s[i], на основании которых формируются выходные сигналы системы b[250] и s[5], а также график изменения сигнала b250[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.3 изображены 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 значения b250min и 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 s5min и s5max, 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







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.



Наилучшее качество изображения коррелирует с точкой начала уменьшения величины NFV при 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

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

  2. 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.

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

Статья поступила в редакцию 17 января 2012 г.


automatic system for adjustment of TV camera CONTROL parameters

V.A. Arefyev1, I.V. Kandalov2 , P.K. Kuznetsov1, O.B. Simakov2, A.A. Shihanov2


1 Samara State Technical University

244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100


2 SPC Infotrans

47, Polevaya st., Samara, 443001

The article has deal with algorithm of automatic adjustment of TV camera control parameters for adaptation on change of light conditions, and presents the results of this algorithm investigations in real and laboratory experiences.

Key words: algorithm of automatic adjustment of TV camera parameters, image histogram, image quality evaluation functions.


УДК 681.518


ВЛИЯНИЕ НЕНУЛЕВЫХ НАЧАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
НА ПОГРЕШНОСТИ ИМПУЛЬСНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
С КЛАСТЕРОМ ОДНОВИТКОВЫХ ВИХРЕТОКОВЫХ ДАТЧИКОВ1


Л.Б. Беленький, С.Ю. Боровик, О.П. Скобелев

Учреждение Российской академии наук «Институт проблем управления сложными системами РАН»

443020, г. Самара, ул. Садовая, 61

Рассматриваются процессы накопления и рассеяния энергии в импульсной измерительной цепи (ИЦ) с двумя одновитковыми вихретоковыми датчиками (ОВТД), образующими кластер, распределенный на поверхности статора компрессора или турбины газотурбинного двигателя (ГТД) и обеспечивающего измерение радиальных и осевых смещений торцов лопаток. Показана возможность появления погрешностей, связанных с недорассеянием энергии и ненулевыми начальными условиями в ИЦ при изменении скорости вращения лопаточного колеса, когда изменяется период между моментами прохождения замком лопаток геометрического центра (г.ц.) кластера и его виртуального г.ц. (в.г.ц.), а как следствие, и период импульсов питания ИЦ, подаваемых в те же моменты времени. С помощью эквивалентной схемы ИЦ и ее модели проведены вычислительные эксперименты, в которых исследованы процессы накопления и рассеяния энергии в ИЦ, а также получены количественные оценки указанных погрешностей.

Ключевые слова: распределенный кластер из двух одновитковых вихретоковых датчиков, импульсная измерительная цепь, накопление и рассеяние энергии, ненулевые начальные условия, погрешности.

Введение. В настоящее время наиболее перспективными представляются системы измерения радиальных и осевых смещений торцов лопаток в компрессорах и турбинах ГТД, в которых используются распределенные кластеры (РК) из двух ОВТД с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника [1, 2]. ЧЭ первого датчика расположен поблизости от геометрического центра (г.ц.) (точка O – начало одной из двух систем отсчета OXYZ), ЧЭ второго датчика – поблизости от виртуального геометрического центра (в.г.ц.) (точка O – начало второй системы отсчета). Расстояние между г.ц. и в.г.ц. составляет 1.5, где  – угловой шаг размещения торцов лопаток [2]. Искомым осевому и радиальному смещениям соответствуют координаты x и y (соответственно), а направлению вращения – координата z.

Известно, что в рассматриваемых системах используются импульсные ИЦ, построенные на основе метода первой производной [3]. Они содержат мостовые схемы, в смежные плечи которых включены оба ОВТД, дифференцирующее и запоминающее устройства. С каждым поворотом лопаточного колеса на угол 0.5 датчики меняют свои функции с рабочих на компенсационные, причем импульсы питания подаются на мостовую схему в моменты прохождения замками лопаток г.ц. и в.г.ц., а информативным сигналом является максимум напряжения на выходе дифференцирующего устройства (ДУ) [4]. После фиксации максимума питание ИЦ прерывается и происходит рассеяние энергии до прихода следующего импульса питания. Очевидно, что период повторения импульсов питания изменяется при изменении скорости вращения (периода) лопаточного колеса. При уменьшении периода вращения может оказаться, что в ИЦ энергия не рассеялась, и в момент появления следующего импульса ненулевые условия вызовут погрешность.

Следует отметить, что в работе [4] рассматриваются ИЦ, в которых импульсное питание подается независимо от скорости вращения лопаточного колеса и моментов прохождения лопатками г.ц. и в.г.ц. При этом используется высокочастотное импульсное питание, а погрешность, связанная с недорассеянием энергии и ненулевыми начальными условиями, зависит только от стабильности частоты (периода повторения импульсов).

Рассматриваемые погрешности можно классифицировать как инструментальные. В работах [1, 5] исследованы погрешности этого класса, в т. ч. систематические и случайные составляющие основной погрешности, дополнительные температурные погрешности, вносимые линиями связи и ключевыми элементами. Однако погрешности, связанные с ненулевыми начальными условиями в ИЦ, предназначенных для преобразования сигналов РК ОВТД, остались неизученными. Исследованию этих погрешностей и посвящена настоящая статья.

  1   2   3   4   5   6

Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Энергетика
Комплексный анализ эффективности использования капитальных, трудовых, топливных и водных ресурсов генерирующего предприятия

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2009. №3 (25) Информационные технологии
На примере конденсатопровода с четырьмя степенями повреждений построена графовая модель, определена эффективность функционирования...

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2011. №4 (32) Электротехника
Диагностирование дефектов обмоток электромеханических и электромагнитных преобразователей

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2010. №2 (26) Машиностроение
...

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2010. №7 (28) Электротехника
Аналитическое и экспериментальное исследование стационарных режимов работы установок охлаждения газа компрессорных станций магистральных...

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2011. №4 (32) Краткие сообщения
Рассмотрен упрощенный способ решения тепловой задачи нагрева контактной системы выключателя с учетом фазового перехода

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconЛ. В. Абдрахманова формирование профессиональных коммуникативных умений
Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Психолого-педагогические науки. 2007. №1(7)

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2009. №2 (24) Электротехника
Исследуются электромагнитные процессы в системе «трехфазный индуктор с вращающимся магнитным полем – цилиндрическая заготовка» с...

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconВестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2009. №1 (23) Энергетика
Путем численного эксперимента исследуются его силовые и потоковые характеристики, определяются свойства материала, подбирается тип...

Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2012. №1 (33) Информационные технологии iconСпин) 92 вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Психолого-педагогические науки. 2008. №1(9)
А н д р ю Х и н а Т. Н. Проектирование и реализация компетентностной модели про­фессиональной подготовки специалистов автомобильного...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница