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

также (повышением отношения снгнал/шум в усилительном тракте ТД. Возможными путями 'повышения этого отношения является применение параметрического усиления, многоэлементной аперту­ ры и увеличения времени накопления за счет оптической компен­ сации перемещения объекта.

Следует, однако, учитывать наличие неравномерности фона и пятен на фотослое всех типов трубок, значительно ограничиваю­ щих -практическое использование указанных возможностей.

Точность измерения размеров или координат объекта сущест­ венно зависит от метода измерения. и значительно повышается при использовании дифференциального метода, когда измеряется только небольшой отрезок (часть) объекта наблюдения, или ме­ тода граничных токов, исключающего влияние нелинейности раз­ верток во времени, или метода оптической дискретизации, позво­ ляющего повысить точность измерения за счет использования во­ локонной оптики или сканисторов на один-два порядка [118].

Кроме технических характеристик ТД большое значение имеет логическая обработка видеосигнала. Например, при определении числа объектов, находящихся в поле наблюдения, метод простого подсчета числа -пересечений объектов сканирующим лучом дает погрешность, в 4—5 раз -большую, чем метод логического сравне­ ния сигналов в двух смежных строках.

Извлечение информации об объекте наблюдения из телевизион­ ного сигнала осуществляется -системой обработки телевизионной информации, выполняющей в самом общем случае функции фильтрации, обнаружения объекта, определения его -параметров и опознания объекта.

Обработка сигнала может быть сравнительно несложной зада­ чей и осуществляться с помощью достаточно простых устройств или требовать проведения глубокого многооперационного анализа и расчетов с помощью ЭВМ. К первому случаю можно отнести из­

Обработка телевизионного сигнала стандартной телевизионной системы весьма затруднена значительным объемом телевизионного сообщения, состоящего из 2—3 миллионов бит. Естественно, что выполнение операций обработки сообщения такого объема даже для современных ЭВМ является по быстродействию и объему па­ мяти делом трудновыполнимым. Поэтому используются разнообраз­ ные методы и устройства сжатия сообщений, -позволяющие умень­ шить объем информации, вводимой в ЭВМ.

Сжатие сообщений осуществляется за счет статистических свойств изображения, когда используются межэлементные, меж­ строчные и межкадровые статистические связи и кодирование по площади, учитывающие связи между элементами ближайшей окрестности. Для сюжетов малой информативности целесообразно использование координатного метода, позволяющего осуществить предельное сжатие сообщений.

10 —

Значительный интерес представляют методы повышения эффек­ тивности использования ЭВМ или специализированных систем обработки телевизионного сигнала за счет предварительного ана­ лиза, выделения и ввода в ЭВМ участков изображения, содержа­ щих признаки нужного объекта.

Большое значение имеет предварительная фильтрация сообще­ ний. Для контрастирования изображений в ряде случаев вводятся предыскажения, обеспечивающие выделение и подчеркивание кон­ туров; для повышения чувствительности используется пространст­ венная суммация для .выделения точечных объектов и устранения флуктуаций, обусловливающих разрывы и выступы контуров — ло­ гическая фильтрация многоэлементной апертурой и т. д.

Наиболее сложной задачей ТВА является опознание образов. Опознанию образов предшествуют фильтрация и выделение при­ знаков изучаемого объекта. После максимального сокращения теле­ визионного сообщения выполняются операции .по выделению оди­ ночных (точка, группа точек) и протяженных объектов и определе­ нию их параметров, а также при необходимости проводится ста­ тистический анализ изображения, в процессе которого накаплива­ ются признаки объекта, подлежащего опознанию. Собственно опознание сводится к комплексному изучению признаков и логи­ ческому сравнению их с наперед заданными. Все эти операции могут быть выполнены упомянутыми вспомогательными устройст­ вами и ЭВМ, работающими по заданным алгоритмам.

Таким образом, видно, что современные технические средства ТВА позволяют принципиально решать большое число задач, вы­ двигаемых промышленностью и научными лабораториями.

Следует указать и на экономические выгоды, которые могут быть получены при использовании ТВА. Некоторые технико-эконо­ мические подсчеты, проведенные на металлургических предприя­ тиях, показывают, что применение ТА может давать до 100 000 руб. экономии в год на один автомат, что полностью окупает его уста­ новку за 2—3 месяца [120].

* % #

Считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благо­ дарность рецензенту канд. техн. наук В. И. Харитонову и профес­ сору доктору техн. наук В. С. Вихману за высказанные ими кри­ тические замечания при чтении рукописи, учет которых значитель­ но улучшил выпускаемую книгу.

Все критические замечания читателей просьба направлять по

Автор

1

ТЕЛЕВИЗИОННЫЕ ДАТЧИКИ

1.1. ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ

Наиболее характерной и важной частью ТА является, как уже указывалось, телевизионный датчик (ТД), который определяется' как оптико-телевизионное устройство, преобразующее световоеизображение наблюдаемого объекта в электрический сигнал (ви­ деосигнал), содержащий в себе информацию, необходимую для' определения іпара'метров объекта с заданной точностью и в форме, ■пригодной для дальнейшей обработки [3].

Поскольку ТД, в отличие от обычной телевизионной системы,, вместо изображения выдает соответствующим образом обработан­ ный сигнал, несущий в себе информацию об объекте наблюдения, основное специфическое требование, предъявляемое к нему, заклю­ чается в обеспечении максимальной точности преобразования нуж­ ного параметра ів видеосигнал, так как никакими усложнениями последующих устройств нельзя восстановить утраченную первичную информацию.

Возникающие .при ■•выполнении ТД трудности становятся особен­ но понятными, если учесть, что в телевизионных устройствах имеет­ ся много специфических источников потрешностей, вызываемых, применением телевизионных 'методов.

Кроме того, при разработке ТД необходимо считаться с целымрядом погрешностей, возникающих из-за всякого рода механичес­ ких люфтов, изменения температуры базовых конструкций, неконт­ ролируемых перемещений изделий и т. д.

Исключить все указанные источники погрешностей нельзя, но свести их к приемлемому минимуму можно. '.В этом и заключаетсяодна из основных задач, возникающих при разработке ТД.

Сигнал на выходе ТД может быть в аналоговой или дискретной форме. Аналоговая форма сигнала при необходимости в дальней­ шей обработке имеет неоспоримое преимущество по быстродействию' схемы, .простоте выполнения и -эксплуатации, возможности непо­ средственной связи -с индикаторным или даже с исполнительным

— 12 —

устройством. Недостатком аналогового сигнала является ограничен­ ная точность его обработки (0,1^-0,01 %), а также трудность его обработки іпо сложным м-атематическим зависимостям [137].

Таким образом, область три мечения ТД с аналоговым сигналом ограничивается ■сравнительно тгросты'ми системами ТА.

Цифровая форма сигнала облегчает получение более информа­ тивного сигнала и является незаменимой три необходимости даль­ нейшей обработки сигнала то сложным математическим зависимо­ стям с большой степенью точности. К недостаткам этой формы сиг­ нала следует отнести необходимость в сравнительно сложных 'коди­ рующих и декодирующих устройствах, преобразующих непрерывные входные величины в /цифровой код и обратно 'преобразующих вы­ работанные счетно-решающим устройством сигналы в /цифровом коде и непрерывные физические величины или команды. В зависи­ мости от конкретных обстоятельств в ТВА могут /применяться обе формы сигнала.

Телевизионный датчик состоит из оптического устройства и пре­ образонателя /свет—сигнал.

1.2. ОЦТИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА

Общие сведения

Оптические устройства для ТД могут быть самого разнообраз­ ного вида, начиная от обычного объектива и кончая сложными теле­ механическими устройствами или кодированной волоконной опти­ кой. Удачный выбор оптического входа ТДв ряде случаев позволя­ ет значительно упростить всю систему при одновременном повыше­ нии точности работы автомата.

Объектив

Наиболее распространенной оптической системой ТД является объектив. Достаточными для практических нужд параметрами объективов являются: фокусное, расстояние F, относительное отвер­ стие Ö, угол поля зрения 2ß, размер диагонали поля в плоскости изображения d, разрешающая способность S-, коэффициент пропус­ кания Т, спектральная характеристика, неравномерность освещения по краям изображения.

Параметры основных серийных отечественных объективов при­ ведены/в табл. 1.1.

Следует отметить, что разрешающая способность объективов за­ висит от величины диафрагмирования н имеет максимальное зна­ чение при относительных отверстиях в пределах 1 :4-4-1 : 8 [132].

При выборе типа объектива необходимо руководствоваться сле­

13 —

Т а б л и ц а 1.1

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ОБЪЕКТИВОВ ДЛЯ ТД

где / — размер объекта ів плоскости, перпендикулярной к оси ТД; h — высота растра на фотослое трубки."

Освещенность на фотослое трубки при работе ТА с микроскопом

£фм -- л ~г ^ 2 ßo.

где к — коэффициент пропускания оптики, зависящий от потерь световой энергии в микроскопе; п —показатель преломления им­ мерсионной жидкости; А'-—выходная апертура микроскопа; ß0 — яркость источника света.

— 14 ^

В свою очередь,

і=т

редаче крупных астрономических объектов производится по следую­ щей формуле [152]:

Вфт ^ ДР2 т ІО4, 4/2

где В — яркость объекта в стильбах; Д — диаметр входного зрачка оптической системы; т — светопропускание оптической системы; f — фокусное расстояние оптической системы.

Минимальный размер детали Ь, воспроизводимый ТД при рас­ стоянии его объектива до наблюдаемого предмета, равном L, опре«

деляется как Ь — 2 — d.

SF

При работе с лучами ;в невидимой части спектра необходимо пользоваться объективами, рассчитанными на эту часть спектра.

Для получения максимально однородного сигнала вдоль направ­ ления разложения или по всему растру следует выбирать объекти­ вы с максимальной равномерностью освещенности по нолю.

Следует учитывать, что при использовании в ТД объективов с большим относительным отверстием снижается глубина резко пере­ даваемого пространства, что может потребовать автоматической подфокусировки объектива в процессе работы с предметами, пере­ мещающимися вдоль оптической оси ТД. Определение расстояния

ная длительность кадрового гасящего импульса. Для 'видикона д= = 0,017 и для диссектора 0,047.

Разность й2 — йі дает глубину пространства, в пределах кото­ рой не потребуется подфокусировка изображения.

— 45 —

При іработе с (микроскопом 'глубина резкости в (Пространстве предметов

z'

ТМ 1- —

KV

где и — увеличение системы.

- Дифференциальная система

Более сложной оптической системой ТД является дифференци­ альная система (рис. 1.1а), которая позволяет свести измерение больших размеров объектов к измерению только положения краев их изображения, что значительно повышает точность контроля. С помощью объективов края изображения предмета I проецируют­ ся на отражающие зеркала, которые, в свою очередь, направляют

ным положением осей визиров: в) наклонные; б) параллельные

изображение на центральную призму. От этой призмы изображение краев предмета попадает на передающую трубку. 'При изменении длины предметана величину (Ь + с) положение краев изображения на трубке изменится на величину к (b'+c'), где к — масштаб изо­ бражения, и вся длина предмета

l = A + 2Liga + k(b' + с ') = B ± k {b ' + c’)

Поскольку (величина В 'может быть определена с заданной точ­ ностью заранее, то при размещении ожидаемого максимального изменения размера (b' + c') по всему диаметру трубки путем под­ бора значения к можно полѵчить существенное повышение точно-

предмета, что снижает выигрыш в точности, так как при этом уве­ личивается значение (Ь+ с).

Для повышения точности 'системы при наличии больших попе­ речных перемещений можно использовать специальный способ про-

— 16 —

екіцпі краев контролируемого «предмета на фотослой трубки [58]. Края предмета проецируют таким образом (рис. 1.2), чтобы один край попал на верхнюю, а второй — на нижнюю половину фото­ слоя трубки. Тогда размер предмета определится путем логической обработки расстояния Ax= xi—х2 между изображениями краев,

способа необходима двухстрочная развертка изображения с запо­ минанием положения X.

В рассмотренных системах точность контроля зависит от изме­ нения величины L, которая в ряде практических «случаев трудно поддается учету. Свободной от указанного недостатка является си­ стема с параллельным .положением оптических осей .визиров (см. рис. 1.1 б). В этой системе размер 'базы А должен соответствовать среднему ожидаемому размеру /; при больших его величинах (не­ сколько метров) необходимо прибегать к дистанционному управле­ нию перемещением визиров. Однако в этом случае приходится иметь дело с довольно громоздкими устройствами. «Поэтому значи­ тельный «интерес представляют другие дифференциальные системы, позволяющие работать при наличии случайных перемещений «пред­ мета вдоль оси визирования, «осложненных еще и случайными пово­ ротами предмета в плоскости, параллельной оси визирования; та­ кие системы выполняются в виде значительно более компактных

конструкций.

На рис. 1.3 а,приведена оптическая схема, позволяющая «контро­ лировать размеры предмета независимо от его расстояния до ТД. Исходя из указанной схемы, можно определить искомый размер предмета:

а и b — длительности импульсов от моментов времени, соответст­ вующих положению оптических осей объективов 0 4«и 0 2 до момен­ тов времени, соответствующих положению внутренних («на рис. 1.3а) к раев изображ ений пр едмета.

Следует иметь в виду, что знак плюс перед величинам«и а и b

:оуччс«-тго!',;чес. 3*с,:-ш тоса ОС

грешности, -связанные-с неконтролируемым перемещением 'предмета вдоль оси визирования и одиовременныім поворотом -в плоскости,

Рис. 1.3. К определению размера изделия при неконтролируемом его перемеще­ нии: а) вдоль оси визирования: б) дополнительном повороте в плоскости, па­

раллельной осп визирования;

параллельной этой оси. Искомый размер определяется следующим выражением, «е заносящим -от расстояния L и угла попорота ß:

где приняты те же ооозначеиия и порядо-к применения знаков, что и в,предыдущем выражении.

Определение размеров в рассмотренных случаях целесообразно проводить с і-юпользо'ва'нием счетно-го устройства, так как для іполу-

— 18 —

чентія 'результата, например, в последнем onособе нужно произвести 19 различных числовых операций.

Представляет известный интерес также контроль размеров ■предмета по глубине пространства. Если расположить предмет па­ раллельно оси визирования (рис.

1.4), то его длина по глубине может быть определена из выражения

а расстояние крайней передней точ­ ки от ТД

L= kBF -

Г+ п

-Здесь -приняты старые обозначе­ ния, а величина п — отрезок време­ ни, соответствующий -прохождению сканирующим лучом участка фото­ слоя от центра трубки до начала видеоимпульса.

Следует иметь в виду, что при конструирований последних ТА не­

обходимо сильно диафрагмировать объективы для получения рез кого изображения всего контролируемого предмета.

Раздваивающие системы

При контроле небольших размеров, в частности при измерении мнк.р'оп'репаратов, успешно используются так называемые «раз­ дваивающие» оптические системы. 'С помощью этих систем создает­ ся два изображения контролируемого препарата, сдвинутых друг относительно друга так, что между ними остается небольшой за­ зор. При изменении размера предмета изменяется величина зазора; при перемещении предмета перемещается также и зазор, не изме­ няя своей'.величины. Поскольку зазор может ібыть сделан достаточ­ но малым, то точность контроля значительно возрастает, так как она пропорциональна отношению величины изображения измеряе­ мого размера к величине зазора. Увеличение системы обычно вы­

Способ раздваивания изображения ромбической призмой пояс­ няется с -помощью рис. 1.5а [166].

Изображение предмета гранью призмы а — а' -частично пропус­

— 19 —