<<
>>

1.1.2. Компоненты ШС

Информационно измерительная система, в свою очередь, состоит из нескольких подсистем, каждая из которых выполняет свои функции. Обобщенный состав ИИС показан на рис. 1.2.

В состав ИИС входят сенсорная подсистема, подсистема первичной обработки сигнала, вычислительная подсистема, а также подсистемы визуализации и индикации и управления.

Сенсорная подсистема предназначена для измерения теплового излучения от «цели», поступающего на вход ИИС, который содержит в себе информацию о положении и перемещении наблюдаемого объекта. Эта подсистема представляет собой набор датчиков, приемников или сенсоров, которые, принимая поступающий тепловизионный сигнал, преобразуют его в аналоговый электрический сигнал, поступающий в подсистему первичной обработки. Элементами сенсорной подсистемы являются датчики Д] - Дш интенсивности излучения. На выходе сенсорной подсистемы формируется совокупность сигналов и, представляющих собой результат непосредственного измерения энергии поступающего на вход ИИС теплового излучения.

Подсистема первичной обработки служит для преобразования аналогового сигнала в цифровую форму, пригодную для анализа и последующей обработки, сюда входят АЦП и подключаемые к ним устройства выборки и хранения сигнала, поступающего на вход подсистемы, фильтрации (Ф, см. рис. 1.2). Кроме указанных элементов в подсистему первичной обработки входят холодильник для охлаждения фотоэлектронного преобразователя и германиевые линзы. Выходом этой подсистемы является цифровой сигнал I, представляющий собой квантованное по уровню и дискретизированное по координатам изображение наблюдаемой пространственной сцены.

Рис. 1.2. Общая структура ИИС

Информационно-измерительная система

Непосредственная обработка регистрируемого сигнала требует создания вычислительной подсистемы, предназначенной для обнаружения участков сигнала, на которых происходит резкое изменение его свойств. Эта подсистема содержит вычислитель, функционирующий по заранее определенному алгоритму, целью которого является промежуточная обработка поступающего на вход цифрового сигнала и его последующий анализ.

Подсистема визуализации и индикации и подсистема управления предназначены для связи ИИС с оператором. Задачей подсистемы индикации и визуализации является отображение информации о функционировании системы в целом. Через подсистему управления оператор имеет возможность управлять процессом работы ИИС, задавать параметры функционирования ее подсистем, и, прежде всего, вычислительной подсистемы.

Структура и принцип функционирования ИИС обработки тепловизионной информации показан на рис. 1.3.

Оптическая система Изображение

Теплоэлек- трический преобразователь

и{к)(щ)

Г Аналоговый г~ Цифровой сигнал f сигнал

м

CQ О

оос

с> Рис. 1.3. ИИС регистрации и анализа тепловизионного сигнала «Цель» формирует поток теплового излучения П (1,ц), где ц - обобщенная координата. Он представляет собой вектор из составляющих: П = (п,),*'«0,...,Л(?>)-1. Поток теплового излучения является функцией времени и пространственных координат, причем обычно N(D) = 2. Таким образом, формируется поток LJ (^^ЛиПг)» содержащий информацию о состоянии

пространственной сцены, т.е.

оптическая система регистрирует плоское изображение, изменяющееся во времени. Поток излучения от пространственной сцены 0 (ЛПиПг) после прохождения оптической системы попадает на тепло-

электронный преобразователь, который преобразует изображение «цели», в аналоговый электрический сигнал. В качестве теплочувствительного сенсора используют, как правило, полупроводниковые теплоэлектронные преобразователи (ПЗС- или КМОП-приборы) [1, 24, 34]. Операция теплоэлектронного преобразования занимает определенное время, поэтому регистрация изображения сцены выполняется не непрерывно, а с некотором интервалом lF, зависящим от времени преобразования теплового сигнала в электрическую форму.

Таким образом, результатом теплоэлектрониого преобразования является матрица значений аналоговых сигналов |и^(П|»П2)|> ГДС ^ - номер регистрируемого изображения сцены, к = 0...jV(/')-1, где N(F) ~ число последовательных наблюдений, или кадров (F - от английского слова "frame" - "кадр").

Элементы матрицы «^(ЛмЛг) представляет собой множество значений, характеризующих интенсивность излучения потока D ) в соответст

вующих точках плоскости изображения и времени, в которых расположены светочувствительные элементы теплового сенсора. Этот сигнал определяет последовательность двумерных изображений наблюдаемой сцены, изменяющихся с течением времени (.

Таким образом, аналоговый сигнал "^(прЛг) ,,а вых°Де из фотоэлектронного преобразователя имеет вид множества матриц цифрового описания сцены размером „Y(/)xК(/) отсчетов.

Значения двумерных матриц формируются как оценка Ё^ интенсивности Е^ теплового потока 0 (лПиЛз)» попадающего через оптическую

систему на светочувствительную область теплоэлектрического преобразователя площадь которой соответствует одному элементу изображения. Экспонирование длится в течение времени t0 + (k - \)-(F торые определяют значения г '. rh

i— Конец формирования i., Л/ у. tp .t

/

—-—>1 'г

V

Начало регистрации кадра Л, начало формирования кадра k-1

V

Конец формирования кадра к

Конец регистрации кадра к, начало формирования кадра к, начало регистрации кадра к+\ Рис. 1.4. Соотношение времени экспонировании кадра н времени тепло-

электронного преобразования

Интенсивность светового потока ? (мчрЛг) вычисляется по формуле:

'i-l+'E 'X-l •SC)(ni»42)

где х = 0...ЛГ(/)-1 - горизонтальная координата ячейки сетки квантования; X(l) - ширина изображения в пикселях;>> = 0...У(/)-1 - вертикальная координата ячейки сетки квантования; высота изображения в пикселях, ЛиЛг - горизонтальная и вертикальные координаты, лежащие внутри апертуры пикселя Sg(x,y) - апертура пикселя с координатами (*,>>), т.е. участок

исходного аналогового сигнала 0 (лл^Лг)» п0 которому вычисляется квантованное по уровню значение одного пикселя результирующего цифрового изображения (см. рис. 1.5).

('к-ЬПьПз)

Изображение «цели»

Тепловизионное изображение в аналоговой форме

Сетка квангО' вания

Рис. 1.5. Формирование квантованного изображения

)

На практике использование значений (/, т^,,) затруднено, поэтому в качестве промежуточного этапа вводится преобразование значений ('»Пмть) в аналоговый электрический сигнал н^(ЛиЛ:):

(ЛиЛ2) = { (М1цЛ2Ц.

'к-1

Таким образом,

v ¦ . 2 у» \2 2

Е {к)(х,у)= \ J M{t,(n„n2)dn,dn2,

V \|.2I-\2 2

где Л = (Д|),/ = 1...Л'(/)) Лг(Л))-мерный вектор параметров сетки квантования. В рассматриваемом случае Л'(/)) = 2 и элементы вектора А задают ширину и высоту сетки квантования.

Для дальнейшего преобразования производится нормирование величины

Е^1 по формуле.

rM -rW

max min у

где и - максимальное h минимальное значения матрицы Е^; .г,у - координаты очередного пикселя изображения.

После этого выполняется операция квантования по N(o) уровням нор-мированной величины Е^. Преобразование непрерывной входной величины в

Рис. 1.6. Вид типичной характеристики квантования

квантованную по уровню осуществляется в соответствии с типовой характеристикой квантования (рис. 1.6). В общем случае, как уровни порогов v(/), так и уровни квантованного сигнала Pi могут равномерными или неравномерными.

Р

Математически характеристику квантования непрерывного сигнала можно записать в виде:

P0i при Еи < v(0);

Pi9 при v(i -1) < Еи < v(/),0 < i < N(Q) -1; PN(Q)-v nP4v(N(0)-\)где Pt - уровни квантования сигнала; - количество уровнен квантования; v(/) - /-й порог квантования.

Обработка данных тепловизионного наблюдения характеризуется чрезвычайно большим объемом информации, которую необходимо анализировать в масштабе реального времени.

Объем данных п}, поступающих на вход ЭВМ каждую секунду, в байтах вычисляется по формуле:

„.„.Mt.^/).^),

где nF=-— частота регистрации изображения сцены; X(/),/(/) - ширина и

h

высота изображения в пикселях.

При анализе тепловизионного изображения среднего качества размерами N = 500, М = 500 с использованием Лг(0) = 256 уровней квантования сигнала

при nF = 24[к/сек] объем поступающей информации составляет

щ = 24 • ]1о^256[ • 500 • 500 = 6000000 [байт/с] = 5.72[Мбайт/с] 8

Это обуславливает необходимость использования для обработки тепловизионных изображений ЭВМ, обладающих высокой производительностью. Чаще всего предварительная обработка таких потоков выполняется аппаратно. Для обработки данных может применяться ЭВМ, построенная по архитектуре Фон- Неймана [3, 31, 35], в которой передача данных и команд осуществляется с использованием одной шины (рис. 1.7, а).

В случае, когда производительности такой ЭВМ недостаточно, применяются специализированные ЭВМ на основе цифровых сигнальных процессоров, построенных по супергарвардской архитектуре (рис. 1.7, б) [1].

Супергарвардская архитектура является усовершенствованием гарвардской архитектуры, главной особенностью которой является раздельная память для команд и данных, каждая из которых работает со своими шинами адреса и данных. Т.к. шины работают независимо, выполнение выборки команды и чтение (запись) данных производятся также независимо, что позволяет значитель- но увеличить скорость выполнения программы. В ЭВМ, построенной по супер-гарвардской архитектуре, помимо раздельной памяти команд и данных, используется кэш-память команд и контроллер ввода-вывода. В кэш-памяти команд сохраняется до 32 последних команд, которые были выполнены, что позволяет сэкономить время при выборке команды. Контроллер ввода-вывода обеспечивает высокоскоростной ввод-вывод через совокупность портов параллельной и последовательной передачи данных.

Рис. 1.7. Архитерктура ЭВМ обработки данных тепловизионного

наблюдения

Для ускорения обработки данных тепловизионного наблюдения возможно использование ступени предобработки, построенной на основе ПЛИС- микросхем, на которых выполняется предварительная обработка информации, заключающаяся в фильтрации шумов, поступающих на вход ИИС регистрации и обработки тепловизионных данных. В ступени предобработки на аппаратном уровне реализованы основные этапы процедуры фильтрации.

Таким образом, для объекта исследования - ИИС обработки данных тепловизионного наблюдения - существует проблема разработки алгоритма функционирования вычислительной подсистемы, отвечающей за извлечение инфор-мации о положении «цели» в пространстве из тепловизионного сигнала.

<< | >>
Источник: СОКОЛОВ Василий Алексеевич. ГИСТОГРАММНЫЙ АНАЛИЗ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ. 2007

Еще по теме 1.1.2. Компоненты ШС:

  1. И это означает, что анализ механизмов творчества мы должны начинать с конкретных психологических компонентов, которые так или
  2. ГЛАВА 2. Основные компоненты взаимодействия институтов силовых и политической в правовом государстве
  3. 4.1. Компоненты внутреннего анализа ресурсов организации
  4. 2. Метод компонент, или метод передвижки возрастов.
  5. Продуктовая группа «Компоненты»
  6. 1.2.2. Особенности организации высокомолекулярных компонентов нефтяных систем
  7. 1.4. Ванадиловые комплексы и свободные стабильные радикалы в нефтях и нефтяных компонентах
  8. Аппаратный компонент Интернета
  9. Информационный компонент в Интернете
  10. 3.3.4 Накачка с некоррелированными масштабными компонентами
  11. 4.3 Методика определении компонент ковариационных матриц навигационных решений
  12. Метод главных компонент
  13. 3.1. Метод главных компонент как дополнительный слой СНРБ-сети
  14. 4.1. Диагностико-целевой компонент процесса формирования конфликтологической культуры специалиста
  15. 4.2. Содержательно-процессуальный компонент процесса формирования конфликтологической культуры специалиста
  16. Функциональные компоненты педагогической системы