НОУ ИНТУИТ | Интеллектуальные сенсоры. Лекция 11: Цифровые фотоаппараты и видеокамеры, тепловизоры, дактилоскопические сенсоры

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 26.05.2010 | Уровень: специалист | Доступ: платный

|

Вам нравится? Нравится 35 студентам

| Поделиться |

Поддержать программу

Ответы

Ответы на вопросы

1. В современном цифровом фотоаппарате изображение снимаемого объекта проектируется фотообъективом не на фотопленку, а на светочувствительную ПЗС или КМДП матрицу. Встроенный микропроцессор организует считывание информации из матрицы, преобразование ее в цифровую форму, запоминание. А, когда это требуется пользователю, то организуется быстрая перезапись видеоинформации на внешний компьютер, где полученное изображение может быть воспроизведено на мониторе, распечатано на цветном принтере или переслано через сеть Интернет. Микропроцессор может обеспечивать также автоматическое регулирование диафрагмы и экспозиции, включение дополнительных источников света в случае недостаточной освещенности, автоматическую наводку на резкость, корректирование полученного изображения и другие сервисные функции.

2. Цифровые фотоаппараты имеют несколько преимуществ перед фотопленочными. При съемке на фотопленку для того, чтобы увидеть результат, надо было эту пленку химически проявить, высушить, а потом изготовить фотографии, а при съемке цифровым фотоаппаратом результат можно увидеть сразу. При съемке на фотопленку исправить неудачный результат было проблематично, а часто и совсем невозможно. При пользовании цифровым фотоаппаратом неудачный результат можно исправить на месте, не отходя от объекта съёмки. Фотоснимок, сделанный цифровым фотоаппаратом, можно быстро переслать через сеть Интернет. Цифровая фотография и экономически выгодна: не надо тратиться на фотопленку и ее химическую обработку; ту же карту памяти можно использовать тысячи раз. Она значительно удобней, компактней, надёжней для хранения, чем экспонированные фотопленки.

3. Цифровая видеокамера – это интеллектуальный электрический сенсор для восприятия динамически изменяющихся изображений, преобразования их в видеозаписи с целью последующего хранения, передачи, обработки и воспроизведения на экране. Современные цифровые видеокамеры – портативные, гораздо более удобные, чем прежние видеокамеры с записью на магнитную пленку и тем более, чем прежние киносъемочные аппараты. Они обеспечивают высокую четкость, возможности автоматической регулировки диафрагмы, резкости, коррекции белого, оптической стабилизации изображения. Встроенный цветной жидкокристаллический дисплей позволяет пользователю сразу же просмотреть результат видеозаписи. Цифровые видеозаписи удобнее (чем магнитные пленки и кинопленки) хранить на дисках и в картах памяти, проще делать с них копии, редактировать, управлять просмотром.

4. Цифровые камеры видеонаблюдения предназначены для визуального наблюдения за событиями, происходящими в интересующих пользователя зонах. Уличные камеры видеонаблюдения используются для охраны общественного порядка на вокзалах и в аэропортах, в учебных заведениях и на стадионах, в других местах массового скопления людей, на автомагистралях и на перекрестках оживленных городских улиц, на въездах и по периметрам охраняемых территорий. Неусыпно наблюдая за обстановкой и регистрируя её в памяти очень большой ёмкости, они в случае необходимости помогают быстрей и объективней разобраться в деталях произошедших событий. Камеры "внутреннего" видеонаблюдения устанавливают в вестибюлях, на въездах в подземные гаражи, для наблюдения за зрителями в театрах, кинотеатрах, цирках, спортзалах, в дискотеках и т.д.

5. Выражение "камера видеонаблюдения снабжена ИК подсветкой" означает, что в состав этой камеры входят светодиоды с мини-линзами, направленно излучающие свет в ближней инфракрасной области спектра, который хорошо чувствуют кремниевые фотодиоды. Подсветка эта автоматически включается, когда освещенность контролируемой камерой зоны пространства становится ниже заданной.

6. "Сетевые камеры видеонаблюдения" отличаются тем, что они способны не только фиксировать видеоизображение, но и посылать его на любые расстояния по сети Интернет либо по локальным сетям или беспроводным сетям Wi-Fi. Передаваемое сетевой видеокамерой изображение можно просмотреть на любом устройстве (персональный компьютер, ноутбук, КПК, мобильный телефон), имеющем доступ в Интернет или в соответствующую локальную сеть.

7. "Тепловизор" – это интеллектуальный электрический сенсор, предназначенный для восприятия и обработки изображений в инфракрасной области спектра, способный "видеть" тепловое излучение предметов. В жилищно-коммунальном хозяйстве тепловизоры позволяют эффективно выявлять тепловые пороки жилищ и теплотрасс, внедрять энергосберегающие технологии. В бытовых и в промышленных электросетях они помогают своевременно выявить скрытые источники опасности даже в скрытой электропроводке. Их применяют также для охраны государственных, промышленных, культурных, частных объектов, транспортных, энергетических и санитарных инфраструктур.

8. "Лазерной указкой" называют встроенный лазерный светодиод, излучающий красный свет с длиной волны 635 нм с очень малым угловым расхождением. Этот пучок света направляют на объект наблюдения, где он образует маленькое красное пятнышко. Оно служит в качестве ориентира для разных оптоэлектронных устройств. В частности, цифровые тепловизоры автоматически формируют видеокадр так, чтобы это красное пятнышко располагалось точно в левом нижнем углу кадра.

9. Папиллярный узор на пучках пальцев человека состоит из небольших (высотой 0,1-0,4 мм, шириной 0,2-0,7 мм) выступов кожи и мини-канавок между ними. Он является уникальным у каждого человека, неизменным на протяжении всей жизни. Вероятность его повторения у другого человека меньше, чем 10^–9. А вероятность повторения у другого человека папиллярных узоров одновременно двух соседних пальцев уже меньше 10^–18. Именно поэтому его иногда и называют "удостоверением" личности.

10. Чувствительным элементом дактилоскопических сенсоров является компактный узел сканирования, в котором папиллярному узору пальцев ставится в соответствие последовательность электрических сигналов. Микропроцессор организует считывание и фильтрацию информации о папиллярном узоре пальцев, обрабатывает ее, приводит к стандартной форме. Он же осуществляет сравнение с образцами типовых узоров, записанными в его долговременной памяти, и по заданным критериям решает, каким образцам соответствуют исследуемые пальцы. Надежность идентификации весьма высока. В соответствии с принятым решением выдается или запрещается доступ человека к охраняемому объекту.

11. Для считывания и "оцифровки" папиллярного узора сейчас применяют следующие основные типы сканеров: емкостные, потенциальные, тепловые и фоточувствительные.

12. Дактилоскопические сенсоры применяют для контроля доступа на охраняемые объекты, к сейфам, банковским депозитарным ячейкам, банкоматам и кассовым терминалам, к энергетическим щитам, узлам информационных соединений, к автомобилям, к разным компьютерным и Интернет ресурсам. Для этого чувствительный сканер сенсора встраивается в клавиатуру компьютера или в "мышку", в фирменные мобильные телефоны, органайзеры, ноутбуки и в другие важные мобильные устройства.

Ответы к упражнениям

Упражнение 10.1. Цифровой фотоаппарат состоит из следующих основных частей: фотообъектив, видоискатель, светочувствительная матрица, узлы фокусировки и управления диафрагмой, схемы считывания видеосигнала и преобразования его в цифровые коды, микрокомпьютер, карта памяти, дисплей для отображения изображений, кнопки управления, батареи питания. С помощью фотообъектива оптическое изображение объекта съёмки проецируется на светочувствительную матрицу. Видоискатель нужен для выбора ракурса и масштаба съёмки, правильного размещения объектов в кадре. Светочувствительная матрица преобразует изображение в информационный электрический сигнал. Узел фокусировки позволяет добиться наилучшей резкости изображения. Узел управления диафрагмой позволяет при заданном времени экспозиции обеспечить максимальную глубину резкости. Встроенный микрокомпьютер организует всю работу фотоаппарата и его самодиагностику, обработку видеоинформации, занесение её в карту памяти или передачу во внешний компьютер, общение с пользователем через кнопки управления и встроенный дисплей, отображение на этом дисплее изображений, выполнение указаний пользователя.

Упражнение 11.2.

Вариант 1. Цифровые фотоаппараты воспринимают и запоминают статические изображения, а цифровые видеокамеры – длинные последовательности динамически изменяющихся изображений. Поскольку изменения визуальных картин могут происходить очень быстро, то задачи, которые надо решать в видеокамерах, намного сложнее, чем в случае цифровых фотоаппаратов. Если в цифровом фотоаппарате экспозиция одного кадра может длиться до 1 с и более, то в видеокамере на это отводится не больше 20 мс, а желательно и значительно меньше. Поэтому светочувствительная матрица и организация считывания и обработки полученных сигналов должны иметь здесь значительно более высокое быстродействие. Значительно выше становятся здесь и требования к объему встроенной памяти. Если в цифровых фотоаппаратах достаточно объема памяти в десятки мегабайт, то в видеокамерах, где каждую секунду надо фиксировать несколько десятков кадров, речь идет уже о гигабайтах памяти.

Вариант 2. Цифровой фотоаппарат может быть использован в качестве видеокамеры, если условия съёмки таковы, что удаётся снимать несколько десятков кадров в секунду. Однако, из-за ограниченной памяти, видеосюжеты могут быть только короткими. Цифровую видеокамеру тоже можно использовать в качестве цифрового фотоаппарата, рассматривая каждый кадр как отдельный снимок. Сложности таких режимов применения состоят в том, что применяемые светочувствительные матрицы оптимизированы под основное применение. В фотоаппаратах они обеспечивают наилучшее качество фотоснимков, но имеют ограниченное быстродействие и далеко не всегда позволяют получить качественную и продолжительную видеозапись. В видеокамерах применяют быстродействующие светочувствительные матрицы, которые не оптимизированы на получение высококачественных фотоснимков. Сочетать и то, и другое трудно.

Вариант 3. Конструкция цветных Х3 светочувствительных матриц позволяет быстрей обрабатывать информацию. Если для обработки одного цветного пикселя в "обычных" матрицах микропроцессор должен выполнить порядка 100 вычислительных операций, то здесь – значительно меньше. Плотность пикселей в Х3 матрицах также выше. Легче выполняется сложение сигналов от групп соседних пикселей. Поэтому в случае необходимости "на ходу" можно повышать чувствительность матрицы за счет объединения групп отдельных пикселей (2x2, 3x3, 4x4 и так далее) в "большие" искусственные пиксели. Чувствительность при этом будет возрастать в 4, 9, 16 раз соответственно, а разрешающая способность или размеры снимка будут уменьшаться лишь в 2, 3, 4 раза. Это позволяет быстро переключаться из режима цифрового фотоаппарата в режим видеозаписи и обратно, используя одну и ту же светочувствительную матрицу и для получения высококачественных фотографий, и для съёмки хороших видеофильмов.

Упражнение 11.3.

Вариант 1. Для обеспечения большого сектора обзора в камерах видеонаблюдения имеется ряд возможностей. Во-первых, это использование широкоугольных фотообъективов и "трансфокатора", который за счет изменения фокусного расстояния объектива может обеспечивать дистанционное изменение масштаба изображения до 25 раз. Во-вторых, применение фотообъектива типа "рыбий глаз". В третьих, при компактном исполнении фотообъектива и светочувствительной матрицы, можно использовать бесшумное поворотное устройство с высокой точностью позиционирования и скоростью вращения до 400 $\deg$ /с. Оно позволяет получить даже панорамные изображения с обзором пространства по всем азимутам. В случае применения фотообъектива с трансфокатором встроенный микрокомпьютер должен обеспечивать управление (по указанию пользователя) изменением фокусного расстояния объектива. В случае применения фотообъектива типа "рыбий глаз" встроенный микрокомпьютер должен выделять из общего видеосигнала лишь фрагменты, относящиеся к интересующему пользователя сектору обзора, и формировать для передачи видеосигнал только из этих фрагментов. При использовании поворотного устройства встроенный микрокомпьютер должен отслеживать текущую ориентацию фотообъектива и формировать из видеосигналов от матрицы панорамный видеосигнал. По командам пользователя микрокомпьютер должен регулировать скорость вращения или точно ориентировать объектив в заданном направлении, управлять изменением угла наклона объектива к горизонту. Во всех случаях встроенный микрокомпьютер должен обеспечивать заданное "цифровое" увеличение изображения, автоматически управлять диафрагмой, длительностью экспозиции, наводкой на резкость, включением дополнительной подсветки в случае недостаточной освещенности и т.д.

Вариант 2. Камеры видеонаблюдения, предназначенные для установки на улице, должны быть рассчитаны на работу в широком диапазоне климатических условий: в жару и в мороз, в сухую погоду и при 100%-й влажности, в яркий солнечный день и в ночное время. Они должны быть защищены от ливней и обледенений, от вандализма. Для защиты камер от ненастья применяют козырьки, кожухи, иногда кожухи с обогревателями, поддерживающими температурный режим работы камеры в мороз. Для защиты от вандализма применяют защитные решетки и толстые ударопрочные стекла. Камеры видеонаблюдения, предназначенные для применения в закрытых помещениях, не требуют защиты от дождя и обледенения. Однако в помещениях ограниченных размеров труднее обеспечить им широкий сектор обзора. Поэтому в помещениях чаще применяют камеры с поворотным устройством и "трансфокатором".

Вариант 3. Сетевые камеры видеонаблюдения по сравнению с обычными должны содержать такие дополнительные узлы, как блок компрессии и встроенный сервер. Блок компрессии выполняет сжатие видеосигнала в один из стандартных форматов представления изображений в сетях. Это нужно для сокращения размера видеокадров и ускорения передачи видеоизображений по сети. В принципе компрессию мог бы выполнять и встроенный микрокомпьютер, но при этом трудно вложиться в жесткие рамки работы в режиме реального времени. Поэтому обычно применяют дополнительный специальный блок компрессии. Функции сервера состоят в поддержании установленных протоколов работы в сети. Их обычно с успехом выполняет встроенный микрокомпьютер, используя специально записанную для этого в его долговременную память микропрограмму.

Вариант 4. Сетевые камеры видеонаблюдения могут работать в режимах непрерывного просмотра, периодического просмотра и работы по запросу. В режиме непрерывного просмотра видеокамера непрерывно передает в сеть воспринимаемые текущие изображения контролируемого пространства. Чтобы его просматривать, надо через соответствующую сеть соединиться с видеокамерой по её индивидуальному сетевому электронному адресу. В режиме периодического просмотра видеокамера выдает в сеть хранящийся в её памяти видеосигнал, который "обновляется" через заданные промежутки времени. Когда подошло время обновления, камера фиксирует в своей памяти текущее изображение или видеосюжет заданной длительности и выдает их в сеть до последующего обновления. В режиме работы по запросу камера ведет передачу видеоизображений только в ответ на запрос пользователя и столько времени, сколько ему нужно. Если связь двусторонняя, то камерой в любом режиме можно и управлять: поворачивать в нужном направлении, менять оптическое увеличение и т.д.

Вариант 5. "Камера глобального наблюдения" CA-ZOOM PTZ компании Everest VIT предназначена для обследования и контроля изнутри состояния внутренних элементов цистерн, котлов, баков, подземных хранилищ, продуктопроводов и других больших труднодоступных резервуаров, имеющих входное отверстие размером от 100 мм. Она состоит из стационарного пульта и интеллектуального выносного сенсора. Последний крепится к штанге, которую вводят внутрь резервуара и могут „наращивать", насаживая дополнительные звенья, до длины 100 м и более. Видеокамера соединяется с системой дистанционного управления кабелем длиной до 150 м. Камера может по командам от пульта управления свободно вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей, внимательно "осматривая" всю внутреннюю картину резервуара. Она автоматически поддерживает нужный уровень освещения, выполняет фокусировку, выбор масштаба изображения (оптическое – до 25х, цифровое – до 12х) и экспозиции, передает видеоинформацию через кабель. Может работать даже в загазованной и запыленной атмосфере и будучи погружена в воду, бензин, аммиак или другую жидкость на глубину до 45 м. Она является также радиационно-стойкой, выдерживает интенсивности облучения до 5000 рад/ч и поэтому применяется в ядерной энергетике для контроля за состоянием ядерных реакторов, каналов транспортирования ядерного горючего, бассейнов с отработанным топливом, емкостей для хранения радиоактивных отходов, систем охлаждения реакторов и т.п.

Упражнение 11.4.

Вариант 1. Для того, чтобы воспринимать ИК свет с длиной волны больше 3-5 мкм, на поверхности КМДП матриц эпитаксиально выращивают пленки "узкозонных" полупроводников. Чаще всего для этого используют сейчас эпитаксиальные пленки КРТ (кадмий – ртуть – теллур). Они позволяют сформировать матрицы, способные воспринимать ИК свет в "окнах прозрачности" атмосферы, в том числе и тепловое излучение объектов с температурой от –50 $\deg$ С до +500 $\deg$ С. Объектив для тепловизора можно сделать из германия, а защитное окошко – из эбонита, потому что эти материалы в средней ИК области спектра прозрачны, хорошо поддаются обработке, имеют хорошие механические свойства.

Вариант 2. Современные цифровые тепловизоры не только воспринимают тепловую картину контролируемой зоны и создают соответствующее видимое изображение на своем дисплее в черно-белой или цветной палитре. Они могут также рассчитать и показать на дисплее температуры интересующих пользователя точек в любой температурной шкале. Могут построить изотермические кривые или профиль температуры вдоль указанного пользователем сечения. Встроенный микрокомпьютер не только организует считывание и обработку информации от матрицы с частотой до 30 кадров/с, ее занесение и хранение в картах памяти объёмом до 2 Гб или передачу в канал связи. Он может также вывести на дисплей меню для управления режимами работы прибора, автоматически фиксировать дату и время съемки. При расчете температуры может учитывать расстояние до объекта, температуру и влажность воздуха, температуру оптики и промежуточного, прозрачного для ИК излучения, защитного окна, если оно есть между объектом и объективом. Может быть учтен реальный коэффициент теплового излучения, если пользователь задает его или указывает материал, из которого сделан объект. Микрокомпьютер может автоматически находить в поле зрения точки с максимальной и минимальной температурами и эти значения выводить на дисплей. По указанию пользователя могут быть рассчитаны и выведены на дисплей средние значения температуры в выделенном круге или квадрате. Микрокомпьютер может автоматически сигнализировать о том, что температура в каких-то точках пересекает заданную верхнюю или нижнюю границу.

Вариант 3. Инфракрасное изображение на дисплее тепловизора показывается как видимое изображение. На черно-белом дисплее самые холодные точки изображаются черными, самые "горячие" – белыми, точки с промежуточными температурами – различными оттенками серого цвета. На цветном дисплее возможности представления тепловой картины существенно богаче. Можно, например, применять аналог цветов накаливания. Т.е. самые холодные точки показывать черным или темно-фиолетовым цветом, более нагретые – вишнёвым, с еще более высокой температурой – красным цветом. Далее следуют оранжевый, желтый, светло-зеленый. Самые "горячие" точки показываются голубым или белым цветом. Благодаря встроенному микрокомпьютеру, способ визуализации тепловой картины может выбираться пользователем. Внизу дисплея может быть показано соответствие цвета и температуры.

Вариант 4. На цветном дисплее тепловая картина зоны наблюдения может быть представлена, например, так. Места, нагретые до максимальной температуры 100 $\deg$ С, окрашиваются в ярко-желтый цвет, с температурой от 80 до 100 $\deg$ С – в желтый, с температурой от 60 до 80 $\deg$ С – в оранжевый, с температурой от 40 до 60 $\deg$ С – в розовый, с температурой от 20 до 40 $\deg$ С – в красный, с температурой от 0 до 20 $\deg$ С – в светло-красный, с температурой от минус 10 до 0 $\deg$ С – в белый, а с минимальной температурой от минус 15 до минус 10 $\deg$ С – в "холодный" светло-голубой цвет.

Упражнение 11.5.

Вариант 1. Нам надо находить величину $x = 100%\times\Delta\Phi/\Phi = 100%\times(\Phi_1–\Phi_0)/\Phi$ . Подставляя выражения для потока теплового излучения из закона теплового излучения Стефана-Больцмана, находим:

$x = 100%\times(\sigma T_1^4 – \sigma T_0^4)/(\sigma T_0^4) = 100%\times (T_1^4 / T_0^4 – 1).$

Выражая температуру тела человека и кустов в шкале Кельвина ( $T_0 = 273 \text{ К}; T_1 = 309 \text{ К}$ ), находим:

$x = 100%\times(309^4/273^4–1)=64,1%.$

Вариант 2. $x = 100%\times(298^4 / 289^4 – 1) = 13,1%$ .

Вариант 3. $x = 100%\times (300^4 / 289^4 – 1) = 16,1%$ .

Вариант 4. $x = 100%\times (288^4 / 253^4 – 1) = 67,9%$ .

Вариант 5. $x = 100%\times (303^4 / 283^4 – 1) = 31,4%$ .

Упражнение 11.6.

Вариант 1. Используя закон смещения Вина, находим, что длина волны, при которой лежит максимум спектрального распределения теплового излучения от тела человека с температурой 36 $\deg$ С, составляет

$\lambda_{\text{макс}}=2,9\times 10–3/ (273 + 36) = 9,39 \text{ мкм}.$