3.7.2. Устройство и принцип действия стз

Состав типичной СТЗ представлен на рис. 3.24. Оптическое изображение объекта, сфокусированное с помощью объектива на фоточувствительной поверхности оптоэлектронного преобразователя, превращается в изменяющееся во времени напряжение, называемое видеосигналом.

В качестве оптоэлектронных преобразователей в СТЗ применяются вакуумные передающие трубки типа видикона, полупроводниковые матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС), фотодиодные матрицы.

Видикон является наиболее распространенным типом передающей телевизионной трубки. Изображение в видиконе проецируется на плоскую мишень из полупроводникового материала, на котором накапливается потенциальный рельеф. Мишень сканируется электронным лучом, подключающим считываемый участок мишени к нагрузке. Потенциальный рельеф при этом разрушается и восстанавливается к моменту следующего прохода луча. В СТЗ промышленных роботов применяются в основном видиконы с электростатической системой развертки луча. При их использовании достигается высокая линейность развертки, размер растра не зависит от частоты развертки, отсутствует поворот изображения при изменении напряжения на фокусирующем электроде.

Близкими по разрешению к видиконам являются матрицы на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Полупроводниковые формирователи сигналов изображения на ПЗС представляют собой матричный конденсатор, образованный слоем кремния, слоем двуокиси кремния и металлической пластиной. Последовательным соединением сдвиговых регистров на ПЗС получают матричный формирователь сигналов. Достоинствами ПЗС-матриц являются: отсутствие геометрических искажений растра, высокое быстродействие, низкий уровень выходных шумов, малые габариты и масса прибора, низкое напряжение питание и низкая потребляемая мощность, высокая устойчивость к внешним электромагнитным полям, высокая надежность и долговечность. Например, оптоэлектронный преобразователь на ПЗС типа СПЗС-1М имеет матрицу разрешением 576х512 элементов, размеры фоточувствительной области 6,91х9,22 мм², напряжение питания 20 В. Такие преобразователи хорошо выдерживают вибрации, акустические шумы до 160 дБ, многократные ударные нагрузки до 50 g. Основным недостатком ПЗС является потеря носителей заряда при их переносе и в связи с этим искажение изображений.

Оптические преобразователи на основе кремниевых фотодиодов предназначены для регистрации изображений в диапазоне длин волн 0,35…1,1 мкм. Они выполняются линейными и матричными. Каждая ячейка матрицы содержит фоточувствительную область (единичный фотодиод), три транзистора, выполняющих функции усиления сигнала и управления ячейкой. Фотодиодные матрицы, как и ПЗС, обладают малой инерционностью при считывании, а их дискретная структура позволяет получать информацию без геометрических искажений при довольно больших скоростях движения анализируемых объектов.

Если сравнить три рассмотренных типа оптических преобразователей изображения для СТЗ, можно отметить, что фотодиодные матрицы обладают наиболее высокой интегральной чувствительностью (до 6∙10⁴ мА/лм) и наилучшим отношением сигнал/шум (до 400); телевизионные трубки позволяют получить максимальное пространственное разрешение, но обладают большими габаритами и массой. Матрицы ПЗС по этим показателям занимают промежуточное положение [7].

Выходные сигналы датчиков изображения, используемых в СТЗ, стандартизованы. Преобразование видеосигнала в двоичную форму выполняется в устройстве сопряжения датчика с микроЭВМ. В случае применения телекамер на вакуумных передающих трубках выполняется последующее квантование стандартного кадра, как по полю изображения, так и по уровню видеосигнала.

С тандартный телевизионный кадр (рис. 3.25) представляет собой растр, образованный отдельными строками, каждая из которых имеет видимую (при отображении на экране телемонитора) часть, называемую активной частью строки, и невидимую – пассивную часть, соответствующую обратному ходу луча (показана на рисунке штриховой линией).

В процессе развертки изображения по какой-либо i–й строке напряжение видеосигнала изменяется в зависимости от освещенности текущей точки изображения. Предположим, что передается изображение темной детали на белом фоне. Тогда точкам фона будет соответствовать напряжение видеосигнала U, близкое к максимальному уровню – «уровню белого» U_б, а при прохождении электронным лучом видикона части строки, соответствующей детали, напряжение видеосигнала будет понижаться пропорционально ее яркости. Уровень напряжения U будет находиться где-то между «уровнем белого» U_б и «уровнем черного» U_ч, а в предельном случае – достигать последнего.

Для реализации квантования по полю изображения информация об уровне напряжения видеосигнала считывается в микроЭВМ не постоянно, а лишь в отдельные отрезки времени, отмечаемые импульсами квантования строки Т_и (см. рис. 3.25). Эта последовательность импульсов генерируется устройством сопряжения после прихода импульса строчной синхронизации Т_с, указывающего, что началась очередная строка изображения. Количество генерируемых импульсов квантования строки выбирается исходя из требуемой степени детализации изображения, т. е. в зависимости от желаемого количества элементов, на которые разбивается поле изображения, например 32х32, 64х64, 512х512 и т. п. Предположим, что мы остановили свой выбор на сетке 256х256 элементов. В этом случае количество импульсов квантования каждой строки должно быть равно 256 и в микроЭВМ необходимо ввести информацию 256 строк.

Каждый импульс этого напряжения подвергается квантованию по уровню, т. е. осуществляется аналого-цифровое преобразование напряжения в соответствующий его уровню двоичный код. При квантовании, например, на 256 уровней яркость каждого элемента будет представлена 8-разрядным двоичным словом (1 байт) и при дискретности разбиения поля кадра на 256х256 элементов один кадр изображения, представленного в цифровом виде, займет в памяти микроЭВМ 2¹⁶ байт (т. е. 2¹⁶ элементов умножаются на один байт, несущий информацию о яркости каждого элемента) или 64К байт.

Более часто встречаются СТЗ, оперирующие с двухградационными по яркости (или бинарными) изображениями. Чтобы такая система могла выделять, например, темное изделие на фоне светлого конвейера, задают «эталонный» серый цвет в виде фиксированного порога квантования видеосигнала по уровню и все более светлые элементы изображения относят к фону, а все более темные считают принадлежащими изделию. Подобное искусственное деление исходного изображения только на черные и белые элементы позволяет существенно уменьшить объем памяти, необходимой для его запоминания (для кадра размерностью 256х256 элементов потребуется всего 8 К байт), и снизить время обработки одного изображения.

В общем случае при равностороннем прямоугольном растре количество информации, содержащейся в одном кадре

г де N² – количество элементов в кадре; m – количество градаций яркости.

При кодировании изображения на обработку одного элемента отводится временной интервал

г де f_k – частота кадров.

Для хранения массива информации об изображении в буфере запоминающего устройства за время Δt необходимо преобразовать в код видеосигнал от элемента изображения, занести результат преобразования в буфер и подготовить его к приему следующего результата преобразования. Частота обмена информацией между АЦП и запоминающим устройством

г де Δt_зап – время записи в запоминающее устройство.

Например, для кодирования и запоминания изображения с параметрами N²=512х512, m=16 и частотой f_k=30 кадров в секунду требуется быстродействующее АЦП с частотой преобразования f_ацп=25 МГц и запоминающее устройство с частотой обмена f_обм=150 Мбит/с.