книги из ГПНТБ / Полоник В.С. Телевизионные автоматические устройства

Общий вид отечественного ТА типа СЧ-.1 для подсчета числа микрочастиц приведен на ріис. 6.9. Апіп'аіра^туіра выполнена ів .ви­ де приборного стола, на поверхности которого размещены теле­ визионная камера, микроскоп, івидеоконтрольное устройство, циф­ ровое индикаторное табло и оперативные органы управления. Внутри стола в двух вертикальных стойках помещены аналогоцифровое вычислительное устройство и блоки питания.

Основные технические характеристики СЧ-1 таковы: разложе­

подсчета объектов любых размеров

Интересным развитием предыдущего способа счета объектов является ТА для подсчета молоди ценных пород рыб, выпускае­ мой в водные бассейны [іМ]. При наличии узкого и плоского горла водослива с достаточно быстрым течением воды отпадает необхо­ димость в развертке анализируемого изображения по кадру—она будет выполняться за счет перемещения самой молоди рыб в по­ токе воды.

Телевизионный датчик представляет собой два параллельно расположенных однострочных сканистора ТСП-250, питающихся от единого генератора развертки, чем обеспечивается идентичный закон преобразования координаты вдоль каждой строки. На сканнсторы проецируется изображение .молоди, которая подсвечива­ ется снизу; по мере пересечения линии сканисторов изображением рыбок на выходе соответствующих усилителей появляются видео­ импульсы, сначала от первого сканистора, затем от второго. Счет происходит при пересечении изображением рыбки линии первого

— 170 —

сканИ'Сто'ра. Для того чтобы одна и та же рыбка не учитывалась несколько раз, сформированные сигналы от обоих сканисторов по­ даются на логичокую схему ИЛИ, которая запрещает выдачу счетного ісіипнала при одно'вр'ѳмѳниоім возникновении обоих сиг­ налов.

Частота развертки Др устанавливается, исходя из расчета,, чтобы за время одного периода развертки рыбка успела перемес­ титься на величину расстояния между іцріоекцияіміи линий окаініиісторов на плоскость движения рыбок и перекрыть их, т. е. FvvJAl, где V— средняя скорость перемещения молоди рыб; AI — рас­ стояние между проекциями сканисторов.

Изложенный принцип может найти применение при подсчете деталей на движущемся конвейере, воздушных пузырьков, пере­ мещающихся в жидкости, и т. д. Особенно ценным в этом случае является то, что использование в качестве ТД двух линеек сканис­ торов позволяет работать с частотами разверток в сотни и даже десятки герц, т. е. в случаях, когда получение задержки на период' строки весьма затруднительно.

Следует также упомянуть о способе остановки луча [23]. В этом способе при первом пересечении изображения частицы гене­ ратор основной развертки отключается и дальнейшее сканирова­ ние осуществляется с помощью вспомогательного генератора, по­ зволяющего охватить только анализируемую частицу, у которой, в зависимости от поставленной задачи, может производиться изме­ рение размеров, площади или периметра. По окончании анализа вновь включается основной генератор до момента встречи скани­ рующего луча с изображением очередной частицы, и процесс по­ вторяется.

7

т

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ АВТОМАТЫ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

7.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Кроме уже рассмотренных направлений телевизионно-вычисли­ тельной автоматики, имеется большое количество ТА, предназна­ ченных для самых разнообразных целей. Сюда следует отнести устройства для контроля видимых изменений на наблюдаемых ■объектах, опознания образов, контроля скорости перемещения предметов и ряд других.

7 .2. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ АВТОМАТЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ

ВИДИМЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ОБЪЕКТЕ

Способы получения разностного сигнала

Впромышленности и научных исследованиях часто встреча­ ются случаи, когда требуется обнаружить возникновение видимых ■изменений на объекте наблюдения, которые могут быть обуслов­ лены как изменением положения отдельных деталей объекта, так

иизменением общей или частичной его освещенности. Вопрос значительно осложняется, когда эти изменения происходят моно­ тонно или, что более существенно, когда они возникают редко, случайно и протекают за короткое время. Использование челове­ ка для обнаружения таких изменений может оказаться совершен­ но неэффективным и ненадежным.

Вкачестве примеров применения рассматриваемых ТА можно привести охрану ответственных объектов, обнаружение непра­ вильного положения деталей на конвейерах, сигнализацию о по­

явлении вспышек на солнце и др.

Рассматриваемые ТВА основаны на получении іраіэностного сигнала, свидетельствующего о величине и направлении изменений состояния контролируемого объекта. Процесс 'получения іразностаю-

— 172 —

го оипна-ла всегда тесню связан .с извлечением шовой іинфор',нации ■ис записью ее на ікаікогм-лиібо носителе.

Простейшим средством получения разностного сигнала из ви­ деосигнала является его поэлементное сравнение. Такое сравнение требует запоминания значения элемента на время, необходимое для выполнения сравнения. .Последовательное поэлементное срав­

запоминающего устройства, как, например, емкости в сочетании с ключом и резистором.

Примерами использования межэлементной разности могут слу­ жить задачи обнаружения посторонних включений малого разме­ ра на листах луженой жести для изготовления консервных банок

случае. Кроме того, само запоминающее устройство усложняется, поскольку оно должно хранить значительно больший объем ин­ формации.

Для запоминания видеосигнала на время строки используют ультразвуковые линии задержки, запись сигналов на магнитную ленту, матричные устройства, содержащие запоминающие элемен­ ты, и, наконец, запись на вакуумных приборах. В качестве приме­ ра использования межстрочной разности следует привести подсчет числа объектов, одновременно находящихся в поле наблюдения (см. §6.3), обнаружение прямолинейных изделий, расположенных вдоль строк разложения, и т.п.

Еще большие трудности возникают при поэлементном сравне­ нии кадров изображения, в процессе которого возникает сигнал межкадровой разности. Время сохранения записанной информа­ ции здесь возрастает еще в сотни раз, и в то же число раз должна возрасти емкость запоминающего устройства.

По-видимому, обнаружение межкадровой разности является практически наиболее значимым, поскольку позволяет обнару­ живать изменения, происходящие на всём объекте контроля, т. е. решать задачу наиболее общего характера.

Для получения сигналов межкадровой разности могут быть использованы те же способы запоминания информации, что и для случая получения межстрочной разности, только на значительно больший объем информации.

Рассмотрим кратко особенности способов запоминания инфор­ мации. Ультразвуковые линии задержки обладают большим быс­ тродействием^ но являются достаточно сложными устройствами. и могут использоваться реально только для создания сигнала меж­ строчной разности. Большим их недостатком является сильное за­ тухание сигнала.

— 173 —

Магнитная запись связана с использованием сложных комплек­ сов аппаратуры. Быстродействие магнитной записи достаточно ве­ лико.

Запись на матричных устройствах, использующих, например, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса, требует предвари­ тельного кодирования записываемого сигнала, а следовательно, усложнения аппаратуры. Быстродействие этого вида записи огра­ ничивается скоростью перехода элементов матрицы из одного ус­ тойчивого состояния в другое.

Вакуумные приборы, используемые в качестве запоминающих устройств, являются наиболее простыми из всех описанных спо­ собов, обладающими к тому же большим быстродействиям, по­ скольку оно ограничивается только процессами перезарядки эле­ ментарные, весьма імалык емкостей мишени электронным пучком, играющим роль ключа с относительно небольшим внутренним сопротивлением. Из вакуумных приборов большими возможнос­ тями обладают потенціиаллоскопы с барьерной сеткой, которые «имеют информационную емкость іи быстродействие, достаточными для записи стандартного телевизионного сигнала {31]. Время памя­ ти у таких трубок может достигать нескольких минут при сохра­ нении потенциального рельефа достаточно неизменным. Недостат­ ком потенциаллоскопов является большой паразитный сигнал, ко­ торый возникает в процессе коммутации пучком быстрых элект­ ронов.

Задержка на длительность одного кадра может быть получе­ на сравнительно простым способом при использовании обычного видикона [87]. Перед началом записи фотослой видикона равно­ мерно засвечивается за время обратного хода, благодаря чему на всем фотослое создается одинаковый положительный потенциал. Затем на катод видикона подается видеосигнал, подлежащий за­ держке, в результате чего при обычном сканировании на фотослое образуется потенциальный рельеф, соответствующий задерживае­ мому видеосигналу. Считывание потециального рельефа произво­ дится обычным способом через время одного кадра. Таким обра­ зом, возникает задержанный видеосигнал. Бели теперь его подать на схему сравнения, на второй вход которой поступает сигнал не­ посредственно с ТД, то на выходе схемы при наличии изменений за время одного кадра появится разностный сигнал.

Экспериментальная проверка изложенного способа длительной задержки видеосигнала показаша, что четкость задержанного изображения при задержке в 0,02 с составляет 500 линий при ис­ ходной четкости, равной 600 линий, а реличина задержанного сиг­ нала на выходе івіидикона составляет 0,14-0,2 імкА при величине исходного сигнала, поданного на катод видикона, в пределах

1ч-4 В.

Следует упомянуть также и о перспективности особого типа трубок, формирующих разностный сигнал одновременно С за­ писью изображения нового кадра [7].

— '174 —

Способы обнаружения изменений на объекте

Известны три основных способа обнаружения изменений на объекте: получение межкадровой разности, сравнение с эталоном и использование стробирующих импульсов.

Способ с межкадровой разностью достаточно ясен из выше­ приведенного материала и более подробно не рассматривается.

Способ юраівінѳния с эталонам предполагает фиксацию опреде­ ленного состояния объекта тем или иным способом и сравнение этого изображения с реальным, наблюдаемым в данный момент. Фиксировать состояние объектов можно с помощью фотоили ки­ нозаписи на пленку. Для этого производится предварительная съемка объекта контроля с места установки ТД и полученный не­ гатив проецируется на фотослой передающей трубки. При полном совпадении негатива с гозоібр'аіжѳн'ием Объекта ' 'видеосигнал бу­ дет отсутствовать, но любое изменение на объекте вызовет появ­ ление сигнала на выіходе ТА [175].

Для упрощения данного способа полученный негатив не прое­ цируется на фотослой трубки, а его изображение с помощью вто­ рого ТД преобразуется в видеосигнал, который непрерывн® срав­ нивается с видеосигналом от работающей камеры. При возникно­ вении нарушений в обстановке на объекте немедленно появится раз­ ностный видеосигнал. Описанные ТА применяются при обнаруже­ нии каких-либо нарушений в заданном расположении неподвиж­ ных предметов, в окружающей обстановке: например, появление дыма, пара и т. д.

Наиболее серьезным препятствием при выполнении рассмот­ ренных ТА является необходимость требования полной идентич­ ности размеров и геометрического подобия обоих телевизионных

в варианте с системой бегущего луча является обнаружение звезд переменной яркости [і161]. Если сделать в разное время два сним­ ка участка неба и совместить оптически позитив одного и негатив другого снимка, то благодаря разному размеру окружностей в пе­ риод наибольшей и наименьшей яркостей звезды суммарное изоб­ ражение будет представлять собой серый фон, на котором видна светлая или темная окружность на месте переменной звезды. Ви­ зуальное сравнение двух снимков обычно вызывает значительные трудности.

В ТА для обнаружения переменных звезд световой бегущий луч с помощью шетоделитедьіных зеркал раздваивается и проеци­ руется сразу на оба снимка, положение которых точно юстирует­ ся. Проходящий свет попадет на два фотоумножителя, где преоб­ разуется в видеосигнал. После усиления и микширования сигна­ лов в разностном видеоусилителе полученная разность сигналов детектируется и подается на индикаторное или сигнальное уст­

— .175 —

ройство, привлекающее внимание оператора. Если суммарный ви­ деосигнал подать на модулятор приемной трубки, то на экране легко можно обнаружить переменную звезду в виде светлой или темной окружности большого размера.

Наиболее простыми ТА для обнаружения изменений на объек­ тах контроля являются автоматы для обнаружения изменений в заданных точках изображения [100]. іВ этом случае из видеосигна­ ла методом стробирования выделяются те его части, которые со­ ответствуют контролируемым участкам объекта. Затем стробиро­ ванный видеосигнал компенсируется с помощью стабильного опорного напряжения. Если теперь величина видеосигнала по какой-либо причине изменится, на выходе ТА появится импульс, включающий систему сигнализации.

Основными преимуществами такой системы контроля являют­ ся: возможность быстрой и точной наводки стробирующего им­ пульса на заданное место, возможность создания на одном визу­ альном канале нескольких каналов автоматического контроля, возможность одновременной регистрации как быстрых, так и оченщмедленных изменений на объекте.

В разработанном на этом принципе ТА [84] кадровые строби­ рующие импульсы формируются из сетевого синусоидального нап­ ряжения путем ограничения, дифференцирования и повторного ограничения снизу. Полученные положительные импульсы длитель­ ностью 0,7 мс поступают на схему совпадений. Для перемещения стробирующего импульса по вертикали применяется фазосдвигаю­ щая ДС-цепочка с переменным регистром и переключение концов вторичной обмотки трансформатора.

Для получения строчного стробирующего импульса использует­ ся схема ударного возбуждения, на вход которой подаются строч­ ные синхроимпульсы. Снимаемое с выхода схемы синусоидальное напряжение іспрочной частоты проходит через фаізоадвигающее устройство в виде индукционных фазовращателей, благодаря чему обеспечивается перемещение стробирующего импульса по горизон­ тали, и формируется вышеописанным способом в стробирующие импульсы длительностью в 1 мкс. При подаче этих импульсов на схему совпадения, на которую раньше были поданы стробирующие кадровые импульсы, на ее выходе будут получены комплексные стробирующие импульсы, имеющие на изображении вид светлого квадратика со стороной, равной примерно 10 элементам разложе­ ния. В дальнейшем процесс обнаружения изменений протекает так, как было описано вначале.

Разработанный макет ТА на базе серийной установки ПТУ-2М позволяет обнаружить изменения одновременно в пяти выбранных точках объекта при увеличении или уменьшении освещенности в этих точках на 25—30%.

К недостаткам ТА следует отнести существенное возрастание его сложности при повышении числа точек наблюдения свыше

8- ^ 10.

7.3. ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ АВТОМАТЫ ДЛЯ ОПОЗНАНИЯ ОБРАЗОВ

Общие сведения

Одной из наиболее сложных систем ТВА является система опоз­ нания образа, под которой понимается синтез телевизионного и ки­ бернетического устройств, способный обеспечить уверенное отыска­ ние заданного объекта среди других, независимо от различия в размерах, положении, сдвиге и повороте объекта. Следует подчерк­ нуть, что полная автоматизация процессов, связанных с обработ­ кой информации, которая поступает на вход системы в виде изоб­ ражения, станет возможной лишь после решения проблемы авто­ матического опознания зрительных образов.

Опознание образа предполагает сопоставление предъявляемого объекта с конечным набором образов, заложенных в памяти ТА, и отождествление с одним из них [149]. Это сопоставление произво­ дится по совокупности признаков, определяющих заданный образ.

В зависимости от характера образа задача может (решаться как сравнительно простыми аналоговыми устройствами, так и слож­ ными ЦВМ.

На современном уровне наиболее сложными ТА для опознания образа являются, по-видимому, так называемые «роботы с искус­ ственным интеллектом» [160]. Под таким названием понимаются автоматические системы, способные без участия человека выпол­ нять самостоятельно сложные производственные операции на ос­ новании осмысленной переработки поступающей к ним телевизион­ ной информации. Например, японская фирма «Хитаци» создала ро­ бот, собирающий узлы простой многогранной формы в соответствии

спредъявленным ему чертежом. Данные чертежа вводятся в робот

спомощью двух телевизионных камер, причем одна предназначена для наблюдения и опознавания отдельных деталей, подлежащих сборке, а другая — для «чтения» обычного рабочего чертежа, со­ держащего три стандартные проекции собираемого узла.

Конечно, такие роботы являются чрезмерно дорогими и, очевид­ но, пока малоэффективными. Тем не менее их появление весьма

знаменательно.

Ниже будет рассмотрено несколько ТА для опознания образов, которые достаточно просто решают перспективные задачи.

Сортировка изделий по их форме

В (промышленности (возникает большое число задач по автомати­ зации сортировки изделий по их форме — многочисленные конт­ рольные операции, которые пока выполняются почти исключитель­ но человеком. Сюда следует отнести, например, сортировку изде­ лий на конвейерных лентах, куда изделия поочередно поступают с различных прессов и станков, выявление бракованных по внешне­

— 177 —

му виду изделии, предупреждение поступления деталей к станкам в 'неправильном положении и т. д. В большинстве этих случаев приходится иметь дело с довольно правильными геометрическими формами изделий, изображение которых к тому же может быть сделано достаточно контрастным, что облегчает квантование рабо­ чего сигнала на діва уровня.

Одним из наиболее простых способов опознания таких изделий является способ отыскания коэффициента формы изделия Kq=-Lz/S, где L —периметр изделия; 5 —

площадь 'изделия.

'Нанменьшиім козф фиіциеінтом ф'Оірімы 'обладаеткруг (4я); по мере отклонения формы из­ делия от 'Kjpiyra коэффициент формы 'возрастает. В табл. 7.1 (приведены /значения /коэффици­ ента формы длія изделий раз­ личной формы.

Как. следует из определения коэффициента формы, для его

Рис. 7.1. к определению периметра вычисления необходимо знать

изделия

площадь фигуры изделия и её периметр.

Площадь изделия 'может быть /найдена с іпо/мощью теле­ визионных способов, как величина, пропорциональная сумме дли­ тельностей всех импульсов пересечения изображения сканирующим лучом (см. § 4.3).

Периметр изделия наиболее просто может быть измерен двумя путями, которые базируются на строчной структуре растра.

Согласно первому способу истинный периметр равен сумме длин дуг, заключенных между параллельными строками (рис. 7.1). Для упрощения измерений можно просуммировать гипотенузы ВС, CD . . . или, что еще /проще, стороны ступенчатой кривой ABCD ...

Тогда периметр

L = к 2 і(1і ~ *«-.) + 2d]’

і = і

где /с—коэффициент іпропор'Циональноети; U—длительности видео­ импульса; d —раіс/стоя/ние .между смежными .строками во вре­ мени.

Величина погрешности определения периметра по этой форму­ ле /всегда положительна и может достигать в неблагоприятных слу­ чаях 40% (для прямоугольника, ориентированного под углом 45° по отношению к направлению строк) [60]. Однако поскольку вели­ чина погрешности для большого класса фигур сохраняется пример­ но одинаковой (около 30%), то она может учитываться в качестве систематической погрешности.

— 178 —