Вопрос 1

Система технического зрения.

Определяет техническую систему, в которой специальное вычислительное устройство – процессор, используется для обработки визуальной информации.

Система технического зрения используется для решения задач технического контроля, в конвейерном производстве, в системах управления техническим роботом.

Особенность такой системы в том, что она должна работать в реальном времени.

Система технического зрения должна содержать датчик визуальной информации, формирующий электрический аналог (аналоговый или цифровой источник напряжения или ток) наблюдаемой сцены и средства обработки, позволяющие извлекать полезную информацию из полученного представления.

Датчик => средства обработки

В терминах теории распознавания говорят о классификации применяемых объектов.

Средства обработки делятся на выделитель признаков и классификатор.

Выделитель признаков предназначен для уменьшения объёма данных, измеренных датчиком с целью выделения наиболее характерных признаков предъявленных объекту. Задачей классификатора является принятие решения к какому из заранее установленных классов относится предъявленный объект.

Вопрос 2

Датчики системы технического зрения.

В качестве датчиков в системе технического зрения используются различные датчики оптического диапазона электромагнитных волн (телекамеры, лазерные системы, твердотивные системы, ультразвуковые датчики).

Основной характеристикой датчика является рабочая характеристика – зависимость между входной и выходной величинами.

Основным требованием к рабочей характеристике является взаимнооднозначное соответствие между этими величинами и отсутствием гистерезиса в рабочей области.

Необходимо иметь ввиду, что выходные сигналы датчика определяются его собственным состоянием (термометр – его выходной сигнал всегда примерно равен собственной температуре термометра).

Оптические датчики.

Задачей является воспроизведение выходной величине распространения яркости объекта (или освещённости) чувствительной поверхности датчика.

Обычно оптические датчики состоят из большого количества электрических преобразователей (фоточувствительных элементов ФЧЭ), входной величиной которых является яркость (освещённость объекта), а выходной – электрический ток или напряжение.

Величины, относящиеся к световому излучению, оцениваются двояко:

1. Энергетическая фотометрия – оценивается количество энергии и её распространение в пространстве и времени для всего диапазона электромагнитных волн. Чаще называют радиометрией.

2. Собственно фотометрия, когда учитываются особенности человеческого зрения, в первую очередь чувствительность человеческого зрения и рассматривается оптический диапазон электромагнитных волн. Волны с длиной волны от 0,74 до 0,7 мкм (максимум приходится на 0,55 мкм).

Энергия излучения -

Поток излучения -

Суммарное значение энергии, излучаемой телом во всех направлениях в единицу времени.

В общем случае интенсивность излучения зависит от напряжения (в током случае говорят, что источник изотропен). При равномерных во всех направлениях потоках энергии источник называется изотропным.

Для оценки анизотропии вводится понятие сила излучения (света).

интенсивность в данном направлении, где световой поток, заключённый внутри конуса с телесным углом при его вершине.

Телесный угол – отношение площади участка поверхности сферы радиуса , вырезанного энергетическим конусом к площади этой сферы .

Яркость сила излучения, испускаемая с элемента поверхности источника .

А в данном направлении отнесённая к площади проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную данному направлению.

Освещённость (облучённость) поток излучения, падающий на элемент поверхности, отнесённый к площади этого элемента.

Переход этих энергетических единиц к величинам визуальной фотометрии производится по формуле:

- значение чувствительности человеческого глаза на длине волны

- коэффициент пропорциональности

(для светового потока)

Значение определяется из определения Канделы – величина силы света, соответствующая световому потоку 1 с длиной волны 0,55 мкм. При таком потоке световой поток визуальной фотометрии:

Параметр	Световые единицы	Энергетические единицы
Потоки энергии	Люмены
Сила света	Канделы
Яркость
Освещенность	[люксы]

Пределы видимого света от 380 до 760 нм.

Кандела – сила света, испускаемого с 1/ площади сечения полного излучателя в направлении перпендикулярном этому сечению при излучателя равной платины при давлении 101,0325 Па.

Величина освещённости имеет большое значение для фотодатчиков.

Дневной свет Люкса

Сумерки Люкс

Звёздное небо Люкса

Полная луна Люкса

Метрологические характеристики оптических датчиков.

У первых оптических датчиков в качестве выходной величины был темновой ток (ток постоянно имеющийся на выходе фоточувствительного элемента помещённого в темноту и находящегося в стандартных условиях питания).

1. Освобождение носителей заряда за счёт теплового возбуждения.

2. Тепловое излучение, испускаемое окружающей средой.

В зависимости от возникновения темнового тока наблюдается: чувствительность к температуре, а также флюктуации около среднего значения, связанные с собственными шумами.

Собственные шумы:

1. Тепловой шум (шум Джонсона)

2. Дробовой шум (шум Шоттки)

3. Генерационно-рекомбинационнный шум (ГР шум)

4. Шум вида

2) Дробовой шум появляется при прохождении тока через потенциальный барьер.

3) Обусловлен флюктуацией средней концентрацией носителей тока.

4) Проявляется на нижних частотах до 1 кГц, обусловлен технологией изготовления полупроводников.

В диапазоне от 1 кГц до 1 МГц существует ГР шум. На более высоких частотах шумы Джонсона и Шотки.

1. Темновой ток.

2. Пороговая чувствительность датчика определяется средним квадратичным значением первой гармоники падающего потока излучения, при котором средние значения тока (напряжения) равное среднему квадратичному значению тока (напряжения) шума в полосе 1 кГц.

Чувствительность по току (напряжению). Чувствительность датчика на определённой длине волны.

- величина темнового тока

Для сравнения приёмников излучения, различающихся полосой пропускания и площадью чувствительного элемента используют понятие удельной пороговой чувствительности.

- площадь поверхности датчика

- полоса, в которой работает датчик

- интегральная чувствительность датчика

Удельная обнаружительная способность:

Величина показывает во сколько раз выходной эффект больше шума в рабочей полосе частот.

3. Обнаружительная чувствительность.

1) Статическая

2) Динамическая

Статическая – это отношение входной величины (яркости, освещённости) к значению выходной величины тока (напряжения), вызванного этой входной величиной.

Динамическая – это отношение изменения выходной величины датчика к вызвавшему это изменение приращению входной величины датчика.

Для линейных характеристик статическая и динамическая чувствительности совпадают.

Вводят понятие идеальной чувствительности, если значения статической и динамической чувствительностей разные.

Чувствительность может быть интегральной – это чувствительность во всём диапазоне частот.

Спектральная чувствительность – это чувствительность на одной конкретной частоте.

4. Постоянная времени приёмника.

Определяет быстродействие и равна времени от начала внезапного воздействия излучения сигнала до момента когда уровень сигнала на выходе достигает 0,63 от установившегося значения постоянного при длительном воздействии, постоянного по уровню излучения.

Параметры основных фотоприёмников.

Датчики	, интегральная чувствительность	, темновой ток	, постоянная времени
Вакуумные элементы
Фоторезисторы
Фотодиоды
Фототранзисторы

Типы фотодатчиков.

1. Фоторезисторы.

Фоторезистор – резистивный датчик, сопротивление которого меняется под воздействием света, использует явление фотопроводимости (внутренний фотоэффект – освобождение в материале датчика электрических зарядов под действием света и увеличение за счёт этого проводимости).

Достоинство: большая чувствительность.

Недостатки: нелинейная зависимость фотосопротивления от освещённости, чувствительность зависит от температуры.

Основная область применения: оценка уровней освещённости без точных измерений.

2. Фотодиоды.

В качестве материалов используется кремний, германий. Они реагируют на видимую и инфракрасную области спектров.

Режимы работы:

1. Фотодиодный режим работы.

В этом режиме к фотодиоду прикладывается напряжение в обратном направлении и в первом приближении ток через диод :

, где - ток носителя.

Недостаток: с ростом температуры увеличивается темновой ток.

2) Фотогальванический режим.

Диод не имеет какого-либо источника питания и эквивалентен генератору.

Особенность режима – практическое отсутствие темнового тока.

Недостаток: значительная ёмкость p-n перехода и как следствие уменьшение полосы пропускания.

Достоинства: линейность, малое время запаздывания.

Измерение тока короткого замыкания.

3) Лавинные фотодиоды.

Позволяют использовать нагрузку с меньшим сопротивлением, повышая тем самым быстродействие и расширяя полосу пропускания.

4) Фототранзистор.

Если подать освещение на переход база-коллектор, то фототранзистор будет вести себя, как фотодиод.

Соединение фотодиода и транзистора используется в двух режимах: коммутационный, линейный с компенсацией темнового тока.

Датчики изображения.

Изображение характеризуется пространственным распределением освещённости. Для анализа изображения необходимо получить видео-сигнал, каждое мгновенное значение которого соответствует освещённости (яркости) определённой точки или области анализируемого изображения.

Датчик изображения представляет собой упорядоченный набор большого числа элементарных фоточувствительных элементов, может быть сплошным или дискретным. Каждый фоточувствительный элемент должен быть опрошен один за другим в строго определённом порядке называемым способом развёртки изображения. Вид развёртки определяет порядок считывания зарядов , накопленных фоточувствительными элементами за время и соответственно вид общего видеосигнала.

Общий принцип формирования видеосигналов.

Гасящий – обратный ход по строке, либо по кадру.

Сигнал содержит видеосигналы отдельных строк, разделённые интервалом обратного хода по строке, необходимых для того, чтобы электронный луч как в кинескопе, так и в передающей камере успел вернуться к началу следующей строки. Во время этого интервала подаётся строчный синхроимпульс (он формируется не самим датчиком изображения, а замешивается в сигнал электронными схемами камеры).

Уровень синхроимпульса принят за ноль, уровень гасящего 0,33 В, уровень чёрного 0,33 В (выходное напряжение сигнала при срабатывающей камере с закрытым объективом). Разница между уровнем черного и уровнем гасящим – защитный интервал (30 мВ).

Максимальный уровень видеосигнала (уровень белого) равен 1 В.

Когда переданы сигналы всех строк одного поля, то начинается формирование кадрового гасящего интервала. Строчные синхроимпульсы продолжают формироваться, чтобы не сбивать схему строчной развёртки, а видеосигнал в это время не формируется. По окончании кадрового гасящего начинается прямой ход по кадру для следующего поля.

По европейскому стандарту период строчной развёртки составляет 64 мс, длительность прямого хода по строке 52 мс, длительность кадрового гасящего 25 строк, при этом каждое поле имеет 312,5 строк, из которых 287,5 активные строки, имеющие видеосигнал. Полный кадр имеет 625 строк. Формируется поле четных строк, а затем поле нечётных строк (все вместе кадр). Частота смены кадров примерно 25.