Оптико-электронные системы (ОЭС), измеряющие различные характеристики излучения интересующих объектов и фонов, например, фотометры или радиометры, как правило, строятся на основе механических анализаторов изображения, одноэлементных фотоприемников и аналоговой электронике [1]. Используемые методы анализа изображения, по своей электромеханической природе не позволяют своевременно адаптироваться под изменяющиеся условия измерения. Из-за отличительных особенностей этих способов выделения полезного сигнала, в одном приборе невозможно соединить функции нескольких ОЭС одновременно.

В современном мире в связи с активным развитием цифровых технологий, можно по-новому взглянуть на способы формирования и обработки видеоизображения. Поскольку, анализ и фильтрация видеоизображения может успешно производиться персональным компьютером (ПК), а способ его получения одинаков для большинства ОЭС, то можно создать универсальную ОЭС. Видеоизображение, полученное с помощью цифровой видеокамеры, передается в ПК и, всего лишь подменой драйверов, в одной программе реализуются все необходимые функции, например как фотометра, так и радиометра. Такое решение является не только расширяемым, но и более гибким, так как логика работы прибора описывается на языке программирования. Назовем такую систему цифровой оптико-электронной системой (ЦОЭС).

Подобную систему можно значительно проще модернизировать, совершенствуя соответствующее программное обеспечение, без замены дорогостоящего оборудования. Более того, используя современные Интернет-технологии, становится просто проводить необходимую диагностику оборудования, что существенно упрощает и удешевляет поддержку высокотехнологического оборудования в нашем интегрированном мире.

Все цифровые решения используют некоторый способ связи с компьютером, обеспечивающий передачу видеоизображения необходимого качества. Так, например, системы видеонаблюдения наименее требовательны к качеству передаваемого изображения: чаще оно является черно-белым, а кадры сменяются не более десятка раз в минуту. Но к  ЦОЭС предъявляемые требования гораздо выше – необходимо полноцветное изображение крупных размеров с частотой смены кадров соответствующей кинопроекторному или даже выше. С появлением ПК, использовавшиеся для подключения периферийных устройств интерфейсы: последовательный RS-232 и параллельный Centronics, отвечали всем требованиям по скорости передачи данных, а в настоящее время для передачи видеоданных иной раз не удовлетворяют и самые совершенные - USB, FireWire и Ethernet, причем проблема передачи потокового видео высокого качества на большие расстояния так и остается нерешенной.

Критериями выбора интерфейса для канала передачи видеоданных в ЦОЭС служат: высокое качество и скорость передачи изображения, максимальная длина соединительного кабеля, наличие высокоразвитого протокола обмена данными и доступность элементной базы для реализации интерфейса. Часто, для получения максимальной информации об объекте невозможно применять сжатие видеоизображения. В таблице 1 приведены сравнительные характеристики применимости наиболее распространенных интерфейсов, при передаче несжатого потока видеоданных.

Всем требованиям полностью удовлетворяет интерфейс USB [2], который наконец-то объединил цифровые устройства в способе обмена данными. Из-за применения его в качестве стандарта для ПК и сравнительной дешевизны элементной базы он получил очень широкое распространение по сравнению с FireWire (IEEE 1394), который, однако, в некоторых деталях превосходит USB. Со стороны разработчиков цифровой техники пока не наблюдается явного предпочтения одного другому. С помощью обоих интерфейсов можно строить целые сети из цифровых устройств, соединяемые концентраторами. Встает вопрос – а как же ограничение по длине кабеля, ведь зачастую требуется установить ЦОЭС на расстоянии нескольких десятков метров от ПК? Данная проблема решается при помощи USB-повторителей или, например, оптических удлинителей фирмы Gefen (www.gefen.com).

Протокол обмена данными по USB поддерживает как канал для данных, так и канал управления, что в некоторых случаях может избавить от реализации отдельного канала команд управления. USB обеспечивает горячее подключение (без необходимости выключения ПК) цифровых устройств и реализует механизм Plug and Play, который позволяет ПК автоматически определять с каким типом устройства он работает в настоящий момент и конфигурировать программное обеспечение соответствующим образом. Немаловажно, цифровое устройство может не иметь собственного источника питания, его будет заменять персональный компьютер, так как питающее электронную схему напряжение передается по кабелю.

В общем случае ЦОЭС требует наличия не только канала передачи видеоданных, но и канала управления, например для связи с поворотным механизмом. Критериями выбора интерфейса для канала команд управления служат его простая схемотехническая реализация и наличие не более двух проводов. Отличным кандидатом может служить интерфейс RS-485, который является двухпроводным и достаточно надежным. Высокоуровневые протоколы семейства CAN, позволяют строить на базе этого интерфейса довольно сложные сети обмена данными между микроконтроллерами, датчиками и другими оконечными устройствами. Другим кандидатом является беспроводной интерфейс BlueTooth, элементная база для которого также очень обширна и поддерживается большинством производителей электронных компонентов.

Для реализации интерфейса USB фирмы производителей электронных компонентов предоставляют довольно богатый набор микросхем, так называемых USB-контроллеров. Для специальных задач, в которых необходима предварительная обработка видеосигнала (сжатие, фильтрация, гамма- коррекция и т.п.) обязательно применение микроконтроллеров или специализированных сигнальных процессоров (DSP). Некоторые фирмы предлагают специализированные чипы, интегрирующие на одном кристалле сигнальный процессор и USB-контроллер – на вход подается цифровое изображение в формате YUV, на выходе получаем готовое для передачи по USB-кабелю видеоизображение формата VGA. Так, например, фирма Zoran (www.zoran.com), [3] продвигает на рынок технологию «USBVision» – серию микросхем специализирующихся на передаче видеоизображения, полученного с помощью ПЗС-матрицы, и аудио-сигнала по интерфейсу USB. Рассмотрим одну из микросхем данного семейства ZR36504, функциональная схема которой представлена на рисунке 1.

Устройства формирования видеоизображения (ПЗС- матрицы) как правило, строятся по одной схеме: матрица фотоэлементов, система сканирования и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) телевизионного сигнала в цифровой RGB/YUV. Первые два компонента в большинстве случаев интегрированы в одном корпусе и позволяют получать телевизионный сигнал, например в системе PAL. АЦП, как правило, поставляется отдельно. К более высокому уровню интеграции производители не стремятся: требуемое качество изображения сильно зависит от решаемой задачи, а его повышение влечет за собой применение АЦП с большей разрядностью и более высокой стоимостью.

Поскольку одним из основных компонентов ЦОЭС является программное обеспечение, реализующее цифровую обработку видеоизображения и интерфейс управления ЦОЭС пользователем, необходима разработка драйвера USB устройства. Операционные системы (ОС) Microsoft, поддерживающие работу с USB-устройствами [4], реализуют следующую модель доступа к ним: верхний слой составляет Universal Serial Bus Driver (USBD) – драйвер, предоставляющий высокоуровневый интерфейс к USB-устройству, поставляется вместе с ОС, нижний слой составляет Host Controller Driver (HCD) – драйвер, специфичный для каждого конкретного устройства, поставляется разработчиком устройства. Таким образом, ОС обращается к модулю USBD, который посредством модуля HCD, соответствующим образом считывает и обрабатывает данные с внешнего USB-устройства. Интерфейс модуля USBD делится на следующие части: функции передачи данных (IssueBulkTransfer), функции обслуживания коммуникационных каналов (OpenPipe, ClosePipe), функции, контролирующие физические характеристики среды передачи (GetFrameLength, GetFrameNumber), информационные функции (GetDeviceInfo, GetUSBDVersion). Полную спецификацию этого интерфейса с примерами драйверов можно найти в документации Microsoft Driver Development Kit (DDK).

Однако реализация ЦОЭС позволит не только на новом уровне достигать известные цели, но и решать новые, ранее недоступные задачи. К настоящему времени достаточно подробно изучены законы формирования и преобразования изображения в ОЭС [1], что при переходе к цифровым устройствам создает возможность существенно повышать информативность сигналов. Рассмотрим одну из таких задач – это восстановление изображения объектов, при их наблюдении сквозь толщу мутной среды: туман, атмосферная дымка, морская вода. Описание трансформации изображения опирается на аппарат теории линейной фильтрации, основанной на использовании оптической передаточной функции (ОПФ) [1]. Вопросы расчета ОПФ ОЭС видения в мутных средах исследованы в [5], однако в алгоритмах восстановления изображения необходимо учесть влияние шумов ОЭС на изображения.

Шумы в задачах восстановления изображения носят фундаментальный характер и связаны с некорректностью уравнения свертки [6], связывающее распределение облученности по ПЗС матрице E_i(r_i) и светимость в исходном изображении E_o(r_o):

                                                     ,                                                  

где h(×) – функция рассеяния точки слоя мутной среды (ФРТ), а r_i ,r_o –радиус-векторы точек в плоскости анализа и объекта соответственно.

На самом деле функция E_o(r_o) известна из-за наличия шумов в системе приближенно

                                                           ,                                                        

где  - неизвестное точное значение сигнала в плоскости анализа, e(r_i) – шум системы, складывающийся из шумов приемника, электронного блока и шумов дискретизации.

После преобразования Фурье уравнение свертки с учетом примет вид

                                                      ,                                                   

где k – пространственная частота, все образы функций обозначены символами оригинала кроме H(k) – оптической передаточной функции среды (ОПФ).

Тогда задача восстановления изображения приобретает в соответствии с вид

                          

                                                                                        ,              

где первый член  является искомым восстанавливаемым изображением, а второй член является следствием шумом в системе измерения.

Особенностью шумового слагаемого является наличие под интегралом отношения : шумы являются случайной функцией никак не связанной с ОПФ, что может приводить к произвольному значению интеграла и даже его расходимости. Для устранения этой погрешности особенно важно устранить влияние высоких частот. Для этого используется регулизация [6] решения, умножая подынтегральное выражение на регулизирующую функцию f(k,a):

               ,            

где  - регулизированное решение задачи восстановления изображения.

Определим уклонение регулизированного решения от точного в форме

                   .

Первое слагаемое в связано с искажающим действием регуляризации на точное решение

                                     ,

второе определяет влияние шума

                                            .

Поскольку шум имеет случайную природу, то естественно выбрать для оценки погрешности вероятностное пространство – среднеквадратичное отклонение:

                                    ,

где черта сверху означает усреднение по ансамблю реализаций.

Пусть , а

                                       ,

где  - спектральная плотность мощности шума. Символом (*) звездочка обозначено комплексное сопряжение.

Тогда

                                                             ,                                                          

причем при a®0 , как регуляризирующий оператор, s²(a) – монотонно возрастает. Тогда существует значение a₀, минимизирующее ошибку.

Наилучший регулизирующий оператор находится из минимизации ошибки . В литературе [6] указывается два основных типа регулизирующих функций для решения уравнений типа свертки. На рисунке 2 представлены результаты восстановление различных изображений для регуляризирующей функции типа .

Литература:

1.       Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. – М.: Логос, 1999. –480С.

2.       Universal Serial Bus Revision 2.0 specification. - USB Implementers Forum, Inc. http://www.usb.org/developers/docs.html (май 2002).

3.       USBvision Products. - Zoran Corporation. http://www.zoran.com/products/usbvision/usbvision.asp (май 2002).

4.       Microsoft Windows Driver Development Kits. – Microsoft Corporation. http://www.microsoft.com/ddk/ (май 2002).

5.       Астахов И.Е., Будак В.П., Лисицин Д.В. Основные краевые задачи переноса оптического изображения в активной ОЭС через случайно-неpовную поверхность раздела сред// Оптика атмосферы, 1992. Т.5, N8. - С.843-851.

6.       Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. – М.: Наука, 1986. – 288С.

 

Интерфейс	Скорость	Видеоизображение	Применение
LPT (ECP/EPP)	24 Мбит/с	320x200,  8 бит, 15 кадр/с 640x480, 8 бит, 2 кадр/с	Передача управляющих сигналов или статического изображения.
BlueTooth	1  Мбит/с	---	Передача управляющих сигналов.
RS-485	10 Мбит/с	---	Передача управляющих сигналов.
Ethernet	100 Мбит/с 1000 Мбит/с	640x480, 8 бит, 30 кадр/с 800x600,  8 бит, 15 кадр/с	Передача качественного изображения для  многих потребителей.
IEEE 1394 (FireWire)	400  Мбит/с	все	Передача видеоданных в ПК.
USB 1.0	12  Мбит/с	320x200,  8 бит, 15 кадр/с 640x480, 16 бит, 2 кадр/с 800x600,  8 бит, 2 кадр/с	Передача среднего качества видеоизображения в ПК.
USB 2.0	480  Мбит/с	все	Передача видеоданных в ПК.

 

Табл. 1. Характеристики интерфейсов

 

Рис. 1. Функциональная схема микросхемы ZR36504.

 

Исходное изображение	Изображение в ОЭС
Восстановление без учета шумов	Восстановление с регулиризирующим оператором
Рис.2. Цифровые алгоритмы восстановления изображения, размытого слоем мутной среды