СИСТЕМЫ ВИДЕОНАБЛЮДЕНИЯ ЗА ДВИЖУЩИМСЯ ОБЪЕКТОМ

January 6, 2013 by admin Комментировать »

Меркишин Г. В., Медведев С. В. Московский авиационный институт (государственный технический университет) ГСП-3, Волоколамское шоссе д. 4, г. Москва, 125993, Россия тел.: 158-47-28, e-mail: merkishingv@rambler.ru

Аннотация – Рассматриваются варианты построения систем наблюдения крупным планом за движущимися объектом. Проводится сравнение трёх вариантов: 1) с анализом сигнала каждого пикселя; 2) с интегрированием сигналов пикселей в пределах фотоприёмного окна; 3) с фотоприёмным окном в виде одного элемента МДП с большой фоточувствительной поверхностью. Показываются преимущества последнего варианта.

I.                                       Введение

Последние годы характеризуются широким внедрением видео наблюдения во многие системы формирования и извлечения информации: системы безопасности, контроля доступа, охраны помещений и территорий и др.

Часто возникает необходимость выделения из наблюдаемого изображения движущегося объекта и слежения за ним.

Конкретизируя задачу, рассмотрим вопросы построения системы слежения видеокамеры за самолетом в зоне аэропорта. Целью наблюдения является формирование изображения самолета крупным планом на экране монитора руководителя полетами на командном пункте. Так как самолет находится на большом удалении, необходим малый (несколько градусов) сектор наблюдения. В этом случае весьма сложной является ручная процедура управления видеокамерой с целью удержания объекта в центре экрана. К тому же оператор сильно загружен задачей общей оценки ситуации в большой зоне ответственности и не в состоянии полностью сосредоточиться на процедуре управления видеокамерой.

II.                              Основная часть

Сравним возможные варианты технической реализации системы по критерию наилучшей чувствительности. Высокая чувствительность необходима при наблюдении объекта в условиях слабой освещенности или малой контрастности объекта на окружающем фоне (например, зеленый самолет на фоне зеленого леса):

1)         Многоэлементная фото система с обработкой сигнала каждого пикселя отдельно: необходимы запоминание сигнала каждого из пикселей и сравнение сигналов соседних кадров, совместный анализ сигналов всех пикселей. Такого рода программы требуют больших вычислительных затрат, характеризуются значительной трудоемкостью их разработки и имеют высокую стоимость. Кроме того, от них не следует ожидать высокой чувствительности, на что указывает результат сравнения применения больших и малых фотоприёмных окон в задаче выделения контура объекта [1].

2)         Формирование на поле фоторецепторов квадратных фотоприемных окон с суммированием сигналов всех пикселей в пределах окна. Автоматизация процесса слежения за перемещающимся объектом реализуется на основе обработки его изображения в компьютере. На первом этапе объект устанавливается в центре экрана внутри рамки, содержащей четыре квадрата. Внутри каждого квадрата производится суммирование уровней сигнала отдельных пикселей и определяется их общая сумма W,,, где – номер квадрата (i=1…4). При движении объекта происходит перераспределение сигналов квадратов, причем AWi+AW4 =-(AW 2+А\Л/з), AW1+AW2 = – (AW3+AW4) (нумерация квадратов против часовой стрелки). Сравнивая указанные суммы сигналов для соседних кадров, система управления движением видеокамеры отрабатывает рассогласования по азимуту и углу места. Предполагаем использование в видеокамерах ПЗС-структуры. Тогда суммарный сигнал (заряд) в пределах окна равен Qz=ZQy, где Qy

–    заряд одного пикселя, суммирование ведётся по всем пикселям с адресами (I, j) в пределах формируемого окна.

Неопределённость заряда (шумовой заряд) [1] равна QN=V(kTCd), где к=1,38*10’^® [Дж/град] – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура, Cd – ёмкость выходного узла ПЗС-матрицы (ёмкость плавающей диффузионной области – ПДО). Предполагая распределение шумовых зарядов по Гауссу, получим отношение сигнал/шум: S/N = Qz^/ Qnz^ = Qi^/(n^kTCd), η – линейный размер окна, выраженный в числе пикселей.

1) Фотоприёмные квадратные окна создаются в виде МДП-структуры с большой фотоприёмной поверхностью (как один элемент ПЗС-матрицы с большими линейными размерами). В этом случае линейный размер ПДО увеличивается в η раз (второй размер остаётся без изменения и во столько же раз увеличивается её ёмкость по сравнению с ёмкостью ПДО выходного узла в предыдущем варианте.

Отношение сигнал/шум равно S/N = Qz^/ kTCw = Qz^Z(nkTCd), где Cw= nCd.

III.                                  Заключение

Таким образом, наблюдается существенное (в η раз) улучшение чувствительности в случае формирования фотоприёмного окна в виде отдельного элемента с большими размерами. Отметим, что при анализе не учитывались шумы усилителя, вкпючён- ного на выходе фоточувствительной структуры, которые могут несколько ослабить эффективность третьего варианта.

IV.                           Список литературы

[1] Меркишин Г. В. Многооконные оптико-электронные датчики линейных размеров. – М.: Радио и связь, 1986.

VIDEO SURVEILLANCE SYSTEMS FOR MOVING OBJECT

Merkishin G. V., Medvedev S. V.

The Moscow Aviation Institute (the State Technical University) highway Volokolamskoe 4, Moscow, 125993, Russia Ph.: 158-47-28, e-mail: merklshlngv@rambler.ru

Abstract – Construction variants of the surveillance systems for close up viewing of moving object are considered. Comparison of three variants is performed: 1) with the analysis of a signal in each pixel; 2) with integration of pixel signals within the area of a photoreception window; 3) with a photoreception window in the form of one MIS-structure element with the big photosensitive surface. Advantages of last variant are shown.

I.                                         Introduction

During the last years are characterized by wide introduction of video observation in many systems of formation and extraction of the information: systems of safety, the control of access, protection of premises and territories, etc. Frequently there is a necessity of allocation from the observable image of moving object and tracking it. Concretizing a problem, we shall consider questions of construction of system of tracking of a video camera behind plane in a zone of the airport. The purpose of supervision is formation of the image of the plane close up on the screen of the monitor of the head flights on command item. As the plane is at a great distance, is necessary small (some degrees) sector of supervision. In this case manual procedure of management by a video camera is rather complex with the purpose of deduction of object in the center of the screen. Besides the operator is strongly loaded by a problem of the general estimation of a situation in the big zone of the responsibility and is not capable to concentrate completely on procedure of management by a videocamera.

II.                                        Main Part

High sensitivity is necessary for object acquisition under the conditions of weak light exposure or small contrast of object against an environmental background (for example, the green- colored airplane on a green wood background). Compare possible variants of system technical realization by criterion of the best sensitivity:

1)         Multi element photo system with separate processing of signal from each pixel requires storing a signal from each pixel and comparison of signals of the neighboring frames, and also the joint analysis of signals from all pixels. These algorithms demand big computational burden, are characterized by significant labour-output ratio and have high cost. Moreover, they are expected to have low sensitivity, this fact confirmed by comparison of small and big photoreception windows to solve the problem on what specifies result of comparison of application of the big and small windows in a problem of extraction the contour of object [1].

2)         Image formation on a field of photoreceptors consisting of square photoreception windows with summation of signals from all pixels within the a window area. Automation of tracking process of moving object is realized on the basis of processing its image in a computer. At the first stage the object is arranged at a center of the screen inside a frame containing four squares.

Inside each square the signal levels from separate pixels are summed up and their total sum W,, is calculated, where i is the square number. When object begins motion the signals from square outputs are redistributed and AWi+AW4 =-(AW 2+AWs), AW1+AW2 = -(AW3+AW4) (where the square numbering is counterclockwise).

Performing comparison of the mentioned signal sums for neighboring frames, the control system of video camera motion eliminates the mismatches in azimuth and elevation. We assume use of CCD in video cameras. Then the total signal (charge) within the window area is Q i = Σ Qj where Qj – a charge of one pixel, summation is made by all pixels with addresses (I, j) within the areas of a window formed.

Uncertainty of a charge (a noise charge) [1] is equal Qn = V(kTCd), where k=1,38*10’^^ – Boltzmann constant, T – absolute temperature, Cd – capacity of output unit of the CCD matrix (capacity of floating diffusion area – FDA). Assuming Gaussian distribution of noisy charges, we obtain signal-to-noise ratio: S/N = Qi^/Qni^ = Qi^ / (n^kTCd), n – the linear size of a window measured in numbers of pixels.

3)         Photoreception square windows are manufactured as CCD structures with the wide photoreception surface (looking like one element of the CCD matrix with the big linear sizes). In this case the FDA linear size increases by factor of n (the second size remains without change) and by the same factor its capacity increases compared with FDO capacity of output unit of the previous variant.

III.                                       Conclusion

Thus the essential (by the factor of n) improvement of sensitivity is predicted in formation of a photoreception window as a separate element with the big sizes. Note, that the analysis made in the paper didn’t include the noise amplifier installed at the output of photosensitive structure which may slightly weaken the efficiency of the third variant concerned.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты