Ответы к упражнениям

Упражнение 10.1. Цифровой фотоаппарат состоит из следующих основных частей: фотообъектив, видоискатель, светочувствительная матрица, узлы фокусировки и управления диафрагмой, схемы считывания видеосигнала и преобразования его в цифровые коды, микрокомпьютер, карта памяти, дисплей для отображения изображений, кнопки управления, батареи питания. С помощью фотообъектива оптическое изображение объекта съёмки проецируется на светочувствительную матрицу. Видоискатель нужен для выбора ракурса и масштаба съёмки, правильного размещения объектов в кадре. Светочувствительная матрица преобразует изображение в информационный электрический сигнал. Узел фокусировки позволяет добиться наилучшей резкости изображения. Узел управления диафрагмой позволяет при заданном времени экспозиции обеспечить максимальную глубину резкости. Встроенный микрокомпьютер организует всю работу фотоаппарата и его самодиагностику, обработку видеоинформации, занесение её в карту памяти или передачу во внешний компьютер, общение с пользователем через кнопки управления и встроенный дисплей, отображение на этом дисплее изображений, выполнение указаний пользователя.

Упражнение 11.2.

Вариант 1. Цифровые фотоаппараты воспринимают и запоминают статические изображения, а цифровые видеокамеры – длинные последовательности динамически изменяющихся изображений. Поскольку изменения визуальных картин могут происходить очень быстро, то задачи, которые надо решать в видеокамерах, намного сложнее, чем в случае цифровых фотоаппаратов. Если вцифровом фотоаппарате экспозиция одного кадра может длиться до 1 с и более, то в видеокамере на это отводится не больше 20 мс, а желательно и значительно меньше. Поэтому светочувствительная матрица и организация считывания и обработки полученных сигналов должны иметь здесь значительно более высокое быстродействие. Значительно выше становятся здесь и требования к объему встроенной памяти. Если в цифровых фотоаппаратах достаточно объема памяти в десятки мегабайт, то в видеокамерах, где каждую секунду надо фиксировать несколько десятков кадров, речь идет уже о гигабайтах памяти.

Вариант 2. Цифровой фотоаппарат может быть использован в качестве видеокамеры, если условия съёмки таковы, что удаётся снимать несколько десятков кадров в секунду. Однако, из-за ограниченной памяти, видеосюжеты могут быть только короткими. Цифровую видеокамеру тоже можно использовать в качестве цифрового фотоаппарата, рассматривая каждый кадр как отдельный снимок. Сложности таких режимов применения состоят в том, что применяемые светочувствительные матрицы оптимизированы под основное применение. В фотоаппаратах они обеспечивают наилучшее качество фотоснимков, но имеют ограниченное быстродействие и далеко не всегда позволяют получить качественную и продолжительную видеозапись. В видеокамерах применяют быстродействующие светочувствительные матрицы, которые не оптимизированы на получение высококачественных фотоснимков. Сочетать и то, и другое трудно.

Вариант 3. Конструкция цветных Х3 светочувствительных матриц позволяет быстрей обрабатывать информацию. Если для обработки одного цветного пикселя в "обычных" матрицах микропроцессор должен выполнить порядка 100 вычислительных операций, то здесь – значительно меньше. Плотность пикселей в Х3 матрицах также выше. Легче выполняется сложение сигналов от групп соседних пикселей. Поэтому в случае необходимости "на ходу" можно повышать чувствительность матрицы за счет объединения групп отдельных пикселей (2x2, 3x3, 4x4 и так далее) в "большие" искусственные пиксели. Чувствительность при этом будет возрастать в 4, 9, 16 раз соответственно, а разрешающая способность или размеры снимка будут уменьшаться лишь в 2, 3, 4 раза. Это позволяет быстро переключаться из режима цифрового фотоаппарата в режим видеозаписи и обратно, используя одну и ту же светочувствительную матрицу и для получения высококачественных фотографий, и для съёмки хороших видеофильмов.

Упражнение 11.3.

Вариант 1. Для обеспечения большого сектора обзора в камерах видеонаблюдения имеется ряд возможностей. Во-первых, это использование широкоугольных фотообъективов и "трансфокатора", который за счет изменения фокусного расстояния объектива может обеспечивать дистанционное изменение масштаба изображения до 25 раз. Во-вторых, применение фотообъектива типа "рыбий глаз". В третьих, при компактном исполнении фотообъектива и светочувствительной матрицы, можно использовать бесшумное поворотное устройство с высокой точностью позиционирования и скоростью вращения до 400  /с. Оно позволяет получить даже панорамные изображения с обзором пространства по всем азимутам. В случае применения фотообъектива с трансфокатором встроенный микрокомпьютер должен обеспечивать управление (по указанию пользователя) изменением фокусного расстояния объектива. В случае применения фотообъектива типа "рыбий глаз" встроенный микрокомпьютер должен выделять из общего видеосигнала лишь фрагменты, относящиеся к интересующему пользователя сектору обзора, и формировать для передачи видеосигнал только из этих фрагментов. При использовании поворотного устройства встроенный микрокомпьютер должен отслеживать текущую ориентацию фотообъектива и формировать из видеосигналов от матрицы панорамный видеосигнал. По командам пользователя микрокомпьютер должен регулировать скорость вращения или точно ориентировать объектив в заданном направлении, управлять изменением угла наклона объектива к горизонту. Во всех случаях встроенный микрокомпьютер должен обеспечивать заданное "цифровое" увеличение изображения, автоматически управлять диафрагмой, длительностью экспозиции, наводкой на резкость, включением дополнительной подсветки в случае недостаточной освещенности и т.д.

Вариант 2. Камеры видеонаблюдения, предназначенные для установки на улице, должны быть рассчитаны на работу в широком диапазоне климатических условий: в жару и в мороз, в сухую погоду и при 100%-й влажности, в яркий солнечный день и в ночное время. Они должны быть защищены от ливней и обледенений, от вандализма. Для защиты камер от ненастья применяют козырьки, кожухи, иногда кожухи с обогревателями, поддерживающими температурный режим работы камеры в мороз. Для защиты от вандализма применяют защитные решетки и толстые ударопрочные стекла. Камеры видеонаблюдения, предназначенные для применения в закрытых помещениях, не требуют защиты от дождя и обледенения. Однако в помещениях ограниченных размеров труднее обеспечить им широкий сектор обзора. Поэтому в помещениях чаще применяют камеры с поворотным устройством и "трансфокатором".

Вариант 3. Сетевые камеры видеонаблюдения по сравнению с обычными должны содержать такие дополнительные узлы, как блок компрессии и встроенный сервер. Блок компрессии выполняет сжатие видеосигнала в один из стандартных форматов представления изображений в сетях. Это нужно для сокращения размера видеокадров и ускорения передачи видеоизображений по сети. В принципе компрессию мог бы выполнять и встроенный микрокомпьютер, но при этом трудно вложиться в жесткие рамки работы в режиме реального времени. Поэтому обычно применяют дополнительный специальный блок компрессии. Функции сервера состоят в поддержании установленных протоколов работы в сети. Их обычно с успехом выполняет встроенный микрокомпьютер, используя специально записанную для этого в его долговременную память микропрограмму.

Вариант 4. Сетевые камеры видеонаблюдения могут работать в режимах непрерывного просмотра, периодического просмотра и работы по запросу. В режиме непрерывного просмотра видеокамера непрерывно передает в сеть воспринимаемые текущие изображения контролируемого пространства. Чтобы его просматривать, надо через соответствующую сеть соединиться с видеокамерой по её индивидуальному сетевому электронному адресу. В режиме периодического просмотра видеокамера выдает в сеть хранящийся в её памяти видеосигнал, который "обновляется" через заданные промежутки времени. Когда подошло время обновления, камера фиксирует в своей памяти текущее изображение или видеосюжет заданной длительности и выдает их в сеть до последующего обновления. В режиме работы по запросу камера ведет передачу видеоизображений только в ответ на запрос пользователя и столько времени, сколько ему нужно. Если связь двусторонняя, то камерой в любом режиме можно и управлять: поворачивать в нужном направлении, менять оптическое увеличение и т.д.

Вариант 5. "Камера глобального наблюдения" CA-ZOOM PTZ компании Everest VIT предназначена для обследования и контроля изнутри состояния внутренних элементов цистерн, котлов, баков, подземных хранилищ, продуктопроводов и других больших труднодоступных резервуаров, имеющих входное отверстие размером от 100 мм. Она состоит из стационарного пульта и интеллектуального выносного сенсора. Последний крепится к штанге, которую вводят внутрь резервуара и могут „наращивать", насаживая дополнительные звенья, до длины 100 м и более. Видеокамера соединяется с системой дистанционного управления кабелем длиной до 150 м. Камера может по командам от пульта управления свободно вращаться вокруг вертикальной и горизонтальной осей, внимательно "осматривая" всю внутреннюю картину резервуара. Она автоматически поддерживает нужный уровень освещения, выполняет фокусировку, выбор масштаба изображения (оптическое – до 25х, цифровое – до 12х) и экспозиции, передает видеоинформацию через кабель. Может работать даже в загазованной и запыленной атмосфере и будучи погружена в воду, бензин, аммиак или другую жидкость на глубину до 45 м. Она является также радиационно-стойкой, выдерживает интенсивности облучения до 5000 рад/ч и поэтому применяется в ядерной энергетике для контроля за состоянием ядерных реакторов, каналов транспортирования ядерного горючего, бассейнов с отработанным топливом, емкостей для хранения радиоактивных отходов, систем охлаждения реакторов и т.п.

Упражнение 11.4.

Вариант 1. Для того, чтобы воспринимать ИК свет с длиной волны больше 3-5 мкм, на поверхности КМДП матриц эпитаксиально выращивают пленки "узкозонных" полупроводников. Чаще всего для этого используют сейчас эпитаксиальные пленки КРТ (кадмий – ртуть – теллур). Они позволяют сформировать матрицы, способные воспринимать ИК свет в "окнах прозрачности" атмосферы, в том числе и тепловое излучение объектов с температурой от –50  С до +500  С. Объектив для тепловизора можно сделать из германия, а защитное окошко – из эбонита, потому что эти материалы в средней ИК области спектра прозрачны, хорошо поддаются обработке, имеют хорошие механические свойства.

Вариант 2. Современные цифровые тепловизоры не только воспринимают тепловую картину контролируемой зоны и создают соответствующее видимое изображение на своем дисплее в черно-белой или цветной палитре. Они могут также рассчитать и показать на дисплее температуры интересующих пользователя точек в любой температурной шкале. Могут построить изотермические кривые или профиль температуры вдоль указанного пользователем сечения. Встроенный микрокомпьютер не только организует считывание и обработку информации от матрицы с частотой до 30 кадров/с, ее занесение и хранение в картах памяти объёмом до 2 Гб или передачу в канал связи. Он может также вывести на дисплей меню для управления режимами работы прибора, автоматически фиксировать дату и время съемки. При расчете температуры может учитывать расстояние до объекта, температуру и влажность воздуха, температуру оптики и промежуточного, прозрачного для ИК излучения, защитного окна, если оно есть между объектом и объективом. Может быть учтен реальный коэффициент теплового излучения, если пользователь задает его или указывает материал, из которого сделан объект. Микрокомпьютер может автоматически находить в поле зрения точки с максимальной и минимальной температурами и эти значения выводить на дисплей. По указанию пользователя могут быть рассчитаны и выведены на дисплей средние значения температуры в выделенном круге или квадрате. Микрокомпьютер может автоматически сигнализировать о том, что температура в каких-то точках пересекает заданную верхнюю или нижнюю границу.

Вариант 3. Инфракрасное изображение на дисплее тепловизора показывается как видимое изображение. На черно-белом дисплее самые холодные точки изображаются черными, самые "горячие" – белыми, точки с промежуточными температурами – различными оттенками серого цвета. На цветном дисплее возможности представления тепловой картины существенно богаче. Можно, например, применять аналог цветов накаливания. Т.е. самые холодные точки показывать черным или темно-фиолетовым цветом, более нагретые – вишнёвым, с еще более высокой температурой – красным цветом. Далее следуют оранжевый, желтый, светло-зеленый. Самые "горячие" точки показываются голубым или белым цветом. Благодаря встроенному микрокомпьютеру, способ визуализации тепловой картины может выбираться пользователем. Внизу дисплея может быть показано соответствие цвета и температуры.

Вариант 4. На цветном дисплее тепловая картина зоны наблюдения может быть представлена, например, так. Места, нагретые до максимальной температуры 100  С, окрашиваются в ярко-желтый цвет, с температурой от 80 до 100  С – в желтый, с температурой от 60 до 80  С – в оранжевый, с температурой от 40 до 60  С – в розовый, с температурой от 20 до 40  С – в красный, с температурой от 0 до 20  С – в светло-красный, с температурой от минус 10 до 0  С – в белый, а с минимальной температурой от минус 15 до минус 10  С – в "холодный" светло-голубой цвет.

Упражнение 11.5.

Вариант 1. Нам надо находить величину . Подставляя выражения для потока теплового излучения из закона теплового излучения Стефана-Больцмана, находим:

Выражая температуру тела человека и кустов в шкале Кельвина (  ), находим:

Вариант 2. .

Вариант 3. .

Вариант 4. .

Вариант 5. .

Упражнение 11.6.

Вариант 1. Используя закон смещения Вина, находим, что длина волны, при которой лежит максимум спектрального распределения теплового излучения от тела человека с температурой 36  С, составляет

Вариант 2. .

Вариант 3. .

Вариант 4. .

Вариант 5. .

Упражнение 11.7. Ответы индивидуальны.