Меркішін Г В, Медведєв С В Московський авіаційний інститут (державний технічний університет) ГСП-3, Волоколамское шосе д 4, м Москва, 125993, Росія тел: 158-47-28, e-mail: merkishingv @ ramblerru

Анотація – Розглядаються варіанти побудови систем спостереження крупним планом за рухомими обєктом Проводиться порівняння трьох варіантів: 1) з аналізом сигналу кожного пікселя 2) з інтегруванням сигналів пікселів в межах фотоприймального вікна 3) з Фотоприймальні вікном у вигляді одного елемента МДП з великою фоточутливої ​​поверхнею Показуються переваги останнього варіанту

I                                       Введення

Останні роки характеризуються широким впровадженням відео спостереження в багато системи формування та вилучення інформації: системи безпеки, контролю доступу, охорони приміщень і територій та ін

Часто виникає необхідність виділення з спостережуваного зображення рухомого обєкту і стеження за ним

Конкретизуючи завдання, розглянемо питання побудови системи стеження відеокамери за літаком в зоні аеропорту Метою спостереження є формування зображення літака крупним планом на екрані монітора керівника польотами на командному пункті Оскільки літак знаходиться на великому видаленні, необхідний малий (декілька градусів) сектор спостереження У цьому випадку досить складною є ручна процедура управління відеокамерою з метою утримання обєкта в центрі екрана До того ж оператор сильно завантажений завданням загальної оцінки ситуації в великій зоні відповідальності і не в змозі повністю зосередитися на процедурі управління відеокамерою

II                              Основна частина

Порівняємо можливі варіанти технічної реалізації системи за критерієм найкращої чутливості Висока чутливість необхідна при спостереженні обєкта в умовах слабкої освітленості або малої контрастності обєкта на навколишньому фоні (наприклад, зелений літак на тлі зеленого лісу):

1) Багатоелементна фото система з обробкою сигналу кожного пікселя окремо: необхідні запамятовування сигналу кожного з пікселів і порівняння сигналів сусідніх кадрів, спільний аналіз сигналів всіх пікселів Такого роду програми вимагають великих обчислювальних витрат, характеризуються значною трудомісткістю їх розробки та мають високу вартість Крім того, від них не слід чекати високої чутливості, на що вказує результат порівняння застосування великих і малих фотоприймальних вікон в задачі виділення контуру обєкта [1]

2) Формування на поле фоторецепторів квадратних фотоприймальних вікон з підсумовуванням сигналів всіх пікселів в межах вікна Автоматизація процесу стеження за переміщається обєктом реалізується на основі обробки його зображення в компютері На першому етапі обєкт встановлюється в центрі екрану всередині рамки, що містить чотири квадрата Усередині кожного квадрата проводиться підсумовування рівнів сигналу окремих пікселів і визначається їх загальна сума W,,, де – номер квадрата (i = 1 .. 4) При русі обєкта відбувається перерозподіл сигналів квадратів, причому AWi + AW4 = – (AW 2 + А \ Л / з), AW1 + AW2 = – (AW3 + AW4) (нумерація квадратів проти годинникової стрілки) Порівнюючи зазначені суми сигналів для сусідніх кадрів, система управління рухом відеокамери відпрацьовує неузгодженості по азимуту і куту місця Припускаємо використання у відеокамерах ПЗС-структури Тоді сумарний сигнал (заряд) в межах вікна дорівнює Qz = ZQy, де Qy

– заряд одного пікселя, підсумовування ведеться за всіма пикселям з адресами (I, j) у межах формованого вікна

Невизначеність заряду (шумовий заряд) [1] дорівнює QN = V (kTCd), де к = 1,38 * 10 ^ ® [Дж / град] – постійна Больцмана, Т – абсолютна температура, Cd – ємність вихідного вузла ПЗС-матриці (ємність плаваючою дифузійної області – ПДС) Припускаючи розподіл шумових зарядів по Гауса, отримаємо відношення сигнал / шум: S / N = Qz ^ / Qnz ^ = Qi ^ / (n ^ kTCd), η – лінійний розмір вікна, виражений в числі пікселів

1) Фотоприймальні квадратні вікна створюються у вигляді МДП-структури з великою фотоприймальний поверхнею (як один елемент ПЗС-матриці з великими лінійними розмірами) У цьому випадку лінійний розмір ПДО збільшується в η разів (другий розмір залишається без зміни і в стільки ж разів збільшується її ємність у порівнянні з ємністю ПДО вихідного вузла в попередньому варіанті

Відношення сигнал / шум одно S / N = Qz ^ / kTCw = Qz ^ Z (nkTCd), де Cw = nCd

III                                  Висновок

Таким чином, спостерігається істотне (в η разів) поліпшення чутливості в разі формування фотоприймального вікна у вигляді окремого елемента з великими розмірами Відзначимо, що при аналізі не враховувалися шуми підсилювача, вкпючен-ного на виході фоточутливої ​​структури, які можуть дещо послабити ефективність третього варіанту

IV                           Список літератури

[1] Меркішін Г В Багатовіконна оптико-електронні датчики лінійних розмірів – М: Радіо і звязок, 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@ramblerru

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р