Биллет №13

Системное проектирование ОЭПиС

1) Эффекты искажения спектра при использовании двумерного ДПФ.

Двумерное ДПФ:

Прямое:

Обратное:

где — исходный двумерный массив отсчетов, — результирующий двумерный массив отсчетов, - размерность исходного, а также результирующего массивов.

Массив трактуется как результат дискретизации некоторого изображения или излучающей поверхности g(х,у) (т.е. как поле облученности или светимости) :

Исследуемый сигнал g(х,у) Результат дискретизации сигнала g(х,у)

Ряд особенностей выполнения двумерного ДПФ (методические погрешности):

1. "Зеркальная" особенность проявляется в том, что отсчеты спектра, соответствующие высоким пространственным частотам находятся в центральной области результирующего массива, а соответствующие низким пространственным частотам — в угловых областях.

Для восстановления правильного вида двумерного спектра необходимо поменять местами отсчеты, расположенные в первом и третьем, а также втором и четвертом квадрантах массива (схема операции для массива отсчётов указана на рисунке):

С хема восстановления правильного вида 2-мерногп спектра

2. Для уменьшения влияния эффекта растекания (Гиббса) при ограничении сигнала используется двумерное "окно", представляющее осесимметричную двумерную функцию, осевое сечение которой определяется функцией Тьюки или Ханна .

3. Для устранения эффекта "слияния" исходный двумерный массив размерности N₁N₂ преобразуется в двумерный массив с размерностью N₃N₄ :

В результате преобразованный массив фактически представляет собой исходный сигнал, окруженный защитными нулевыми отсчетами.

Видеоинформационные измерительные системы

2) Модель регистрирующей камеры. Основные соотношения. Внутренние параметры камеры. Пересчет в произвольную систему координат.

Соотношения между координатами точек сцены и их изображениями и методы оценивания параметров системы регистрации и трехмерной структуры сцены . Различные точки пространства предметов отображаются оптической системой камеры в пространстве изображений на различных расстояниях от фокальной плоскости. Однако, если расстояние между камерой и наблюдаемой сценой значительно превышает фокусное расстояние оптической системы, можно считать, что изображение строится в ее фокальной плоскости. В этом случае можно воспользоваться проективной моделью камеры, в которой изображение трехмерного объекта получается проектированием его в фокальную плоскость (плоскость изображения) через единственную точку, называемую оптическим центром. Прямая линия, перпендикулярная плоскости изображения и проходящая через эту точку, называется оптической осью камеры, а точка пересечения оптической оси с плоскостью изображения - главной точкой.

Определим в трехмерном пространстве ортогональную правую

систему координат O_KX_KY_KZ_K, начало которой совпадает с оптическим

центром, ось O_KZ_K - с оптической осью камеры. Такая система называется стандартной системой координат камеры. Пусть плоскость

изображения находится на расстоянии f' от оптического центра. В этой плоскости зададим систему координат O_uX_uY_u с началом в

главной точке и осями O_uX_u и O_uY_u, параллельными осям O_KX_K и O_KY_K соответственно (рисунок).

Легко убедиться, что в стандартной системе координат проекцией точки трехмерного пространства Mc координатами (X_K,Y_K,Z_K) является точка m в плоскости изображения с координатами m(x_u,,y_u), причем

Для полного описания камеры следует учесть, что для регистрации изображения в плоскости изображения камеры помещается ФЭП. В общем случае измерение координат в ФЭП осуществляется в единицах, отличных от единиц, задающих координаты в стандартной системе. Поэтому для полного описания камеры необходимо выразить координаты точки m в естественных единицах фотоприемника. В достаточно общем для любых фотоприемников виде (рисунок) это может выглядеть как

где (u₀, v₀) - координаты главной точки относительно начала координат фотоприемника (в естественных координатах фотоприемника); p_x и p_y - масштабы вдоль осей O_uX_u и O_uY_u.

В новой системе координаты проекции точки m примут вид

(1)

Для последующего изложения введем трехмерный вектор M(X_k ,Y _k,Z_k )^T, соответствующий точке M , и двумерный вектор m (x_u , y_u )^T, соответствующий точке m. Определим также вектор

однородных внутренних координат камеры v u, v,1)^T . Используя

эти обозначения, соотношения (1) можно представить в компактной

векторно-матричной записи:

Где

Матрица известная под названием матрицы внутренних параметров камеры, поскольку она содержит только параметры оптической системы и фотоприемника камеры.

В общем случае трехмерные координаты точки могут быть заданы в системе, не совпадающей со стандартной системой

координат камеры О_кХ_к Y_KZ_K. Пусть имеется глобальная (мировая)

система координат OXYZ, а O_KX_KY_KZ_K.- стандартная система координат

камеры. Переход от системы OXYZ к системе O_KX_KY_KZ_K. можно осуществить поворотом координатных осей к некоторой промежуточной системе координат и последующим смещением начала координат. Тогда связь между координатами точки M в глобальной и стандартной системе может быть представлена как

M = RM' + T (2)

где M' и M - векторы пространственных координат точки M в глобальной и стандартной системах, соответственно; R - матрица размерности 3 х 3, описывающая поворот стандартной системы координат относительно глобальной; компонентами матрицы являются направляющие косинусы осей глобальной системы в стандартной системе координат; T - трехмерный вектор смещения начала координат глобальной системы относительно начала координат стандартной.

На втором рисунке схематически показано преобразование координат выражение для матрицы поворота R имеет вид:

Где - соответствующие эйлеровские поворота для левой системы координат. Смысл вектора вектор переноса

Системы прикладного телевидения

3) Тв системы летательных аппаратов. Назначение и классификация

К телевизионным системам летательных аппаратов (ЛА) относятся си­стемы, располагающиеся на самолетах, вертолетах, искусственных спут­никах Земли (ИСЗ) и космических аппаратах дальнего космоса. Функции, выполняемые такими системами, чрезвычайно разнообразны. Примене­ние телевидения на атмосферных ЛА обычно преследует цели наблюдения за земной или морской поверхностью, поиск, обнаружение и измерение тех или иных параметров отдельных объектов, либо съемку участков мест­ности.

Распространение получила аппаратура космического телевидения, ох­ватывающая следующие области применения:

космическую видеосвязь (космовидение);

научное исследование объектов космического пространства;

наблюдение за облачным покровом Земли и исследование ее природ­ных ресурсов;

видеоконтроль функционирования систем космических кораблей и уп­равление космическими кораблями.

Космическая видеосвязь предполагает обмен визуальной информаци­ей между обитаемыми космическими кораблями, а также между косми­ческими кораблями и Землей. Для выполнения различ­ных конкретных задач наблюдения и фотометрических измерений широ­ко применяется спектрозональная телевизионная аппаратура, позволяю­щая получать информацию о малоконтрастных объектах в различных об­ластях спектрального диапазона излучений

Существенное значение приобрели системы видеотелеметрии, с помо­щью которых осуществляется контроль за работой различных систем кос­мического корабля и управление его полетом. В последнем случае с помо­щью телевидения автоматически определяются координаты корабля, осу­ществляется его посадка и маневрирование.

Особое место занимает ретрансляция широковещательных и служеб­ных программ телевидения с помощью спутников-ретрансляторов.

По отдельным техническим признакам телевизионные системы ЛА мож­но разделить на следующие группы :

с электронными и оптико-механическими развертками;

с накопителями электронно-пленочного и фотопленочного типов;

без накопления энергии, со строчным и кадровым накоплением;

пассивные и активные;

с одновременными и раздельными во времени процессами накопления и считывания информации;

широкополосные и узкополосные системы; замкнутые и открытые (с радиолинией связи).

К электронным телевизионным системам относятся все системы с пе­редающими трубками и твердотельными фотопреобразователями, работа­ющие как с накоплением, так и без накопления энергии. Системы с опти­ко-механическими развертками строятся либо на принципе сканирования лазерного луча в пространстве объектов (системы «бегущего луча»), либо на принципе механической развертки изображения с помощью зеркаль­ных барабанов, вращающихся призм и т. д. Оптико-механические раз­вертки относятся к разряду «медленных» и используются главным обра­зом в узкополосных системах.

В системах с накоплением энергии применяются как электронно-пле­ночные накопители, используемые в передающих трубках и твердотель­ных фотопреобразователях, так и фотопленочные накопители, которые при­меняются в фототелевизионных системах. Изображение объекта в них вна­чале регистрируется на фотопленке, а затем, после ее обработки, считывает-ся механическим или электронным путем и преобразуется в видеосигнал.

По времени накопления энергии системы подразделяются на системы без накопления энергии (диссекторные, с лазерным или оптико-механи­ческим сканированием), со строчным и кадровым накоплением. Строчное накопление энергии используется в системах с однострочной разверткой. Вертикальная развертка в этом случае осуществляется за счет поступатель­ного движения ЛА.

Телевизионные системы ЛА, как и любые другие оптико-электронные системы, подразделяются на пассивные и активные, т. е. использующие искусственную подсветку объекта. Очевидно, что подсветку можно исполь­зовать лишь на сравнительно малых расстояниях, характерных только для атмосферных ЛА

Обычные телевизионные системы, применяемые в вещательном и при­кладном телевидении, работают в режиме, когда процесс экспонирования изображения на фоточувствительную поверхность и процесс коммутации мишени, сопровождающийся образованием видеосигнала, происходят од­новременно. Однако в малокадровых, импульсных и фототелевизионных системах эти процессы оказываются разделенными во времени: сначала производится экспонирование накопительного элемента фотопреобра­зователя (в импульсных системах — кратковременное, в остальных случа­ях — любое), затем — считывание информации по памяти и, наконец, при необходимости — стирание остаточного потенциального рельефа для под­готовки накопителя к новому циклу работы.

Все телевизионные системы ЛА условно разделяются на узкополосные и широкополосные, причем границей между ними установлена максималь­ная частота видеосигнала 100 кГц. Широкополосные системы используют главным образом для наблюдения за земной поверхностью и ее облачным покровом с самолетов и аппараты, имеющих орбиты до 10 км . Узкополос­ные телевизионные системы служат для передачи информации из дальнего космоса, причем сокращение полосы частот при ограниченной мощности передатчика позволяет увеличить дальность действия системы в тысячи раз.

Большинство телевизионных систем ЛА являются системами открыто­го типа, т. е. служат для передачи информации по радиоканалу. Однако на борту самолетов и космических аппаратов могут использоваться и замкну­тые системы, выполняющие вспомогательные функции, которые облегча­ют управление носителем и сбор научной информации.