Вопрос 2. Датчики и аппаратура обработки видеоизображений

Датчики видеоизображения - это вакуумные передающие трубки и полупроводниковые матричные приборы из твердотельных ячеек, преобразующих световую энергию в электрический заряд. Наибольшее распространение среди последних получили приборы с зарядовой связью (ПЗС). В табл. 1 приведены характеристики таких датчиков, нашедших применение в СТЗ. Приведенные здесь КМОП датчики (матрицы) отличаются от ПЗС способом формирования выходного сигнала, что делает их более дешевыми, но за счет снижения чувствительности. Предварительная обработка изображения, получаемого от видеокамер, обеспечивает снижение уровня помех, искажающих исходное изображения, повышение контрастности изображения и контуров. Кроме того первичная видеоинформация содержит обычно на порядки больший объем информации, чем необходимо для решения конкретных задач, решаемых СТЗ, и эту избыточную информацию необходимо так же убрать. Завершает предварительную обработку видеоинформации преобразование ее в цифровую форму, если видеокамера аналоговая.

Таким образом, в целом устройство предварительной обработки обеспечивает ввод видеоданных в цифровую аппаратуру анализа изображений в результате выполнения следующих операций:

Фильтрация. Она осуществляется с помощью линейных низкочастотных фильтров и нелинейных фильтров, подавляющих импульсные помехи.

Контрастирование. Оно заключается в выравнивании яркости элементов изображения.

Таблица 1

Датчики видимого спектра электромагнитного излучения

№	Технические параметры	Видикон	ПЗС	КМОП
1	Чувствительный элемент	Покрытие CdSe	На базе МОП конденсатора
2	Разрешающая способность (тв. лин)	200-600	200-1600*	до 1700*
3	Отношение сигнал/шум (дб)	до 46	до 50	до 54
4	Чувствительность (лк)	16	до 0.00005	до 0,1

* В матрицах высокого разрешения

Бинаризация. Это преобразование исходного полутонового изображения в двухградационное (черно-белое), что позволяет резко сократить объем исходной видеоинформации в тех случаях, когда это допустимо для решения конкретных задач. (Например, выделения очертаний при распознавании текста и т. п.). Алгоритмы бинаризации осуществляют разделение всех элементов изображения на две группы по их яркости путем сопоставления с определенным выбранным порогом яркости.

Выделение контуров. Это определение очертаний отдельных объектов и однородных областей внешней среды в виде границ скачкообразного изменения яркости, например, путем дифференцирования пространственной функции яркости. После этого обычно производится еще дополнительная обработка выделенных контуров с целью устранения разрывов и ложных контурных линий, вызванных, например, шумами.

Преобразование видеоинформации в цифровую форму с помощью стандартных АЦП, если первичный видеодатчик аналоговый.

Согласно схеме СТЗ на рис.1 дальнейшая обработка видеоинформации осуществляется видеопроцессором, реализующим алгоритмы анализа видеоинформации в реальном времени.

Применительно к мобильной робототехнике существуют два базовых подхода реализации этой части СТЗ. Первый подход - это размещение на роботе минимального комплекта аппаратуры, например, только телекамер и радиопередатчика, а вся обработка сигналов производится на пункте управления у оператора. Очевидные недостатки этого подхода - предельно высокие требования к качеству радиоканала, а преимущества - низкая стоимость и возможность использования стандартных средств обработки, таких как персональные компьютеры и устройства расширения их возможностей.

Второй подход состоит в установке на роботе полного комплекта аппаратуры СТЗ. Недостатками такого подхода являются большая стоимость и большое энергопотребление собственно робота, а основное преимущество - повышенная автономность робота даже при потере связи с пунктом управления.

Реальные системы выполняются в виде некоторых промежуточных вариантов, оптимизированных для конкретных технических требований.

Основой для построения бортовых видеопроцессоров являются программируемые логические матрицы и цифровые сигнальные процессоры. Платы расширения увеличивают вычислительные возможности ЭВМ, осуществляя дополнительную обработку видеоинформации перед передачей ее в ЭВМ.