SMELKOV Vyacheslav Mikhailovich, candidato de ciencias técnicas , Profesor asociado
MÉTODO PARA AUMENTAR EL PODER DE RESOLUCIÓN DE UNA CÁMARA DE TV PARA DIAGNÓSTICO FORENSE
Debido a la naturaleza no destructiva naturaleza de la lectura de información y la conveniencia de proporcionársela al consumidor. Se prefiere el método de televisión al realizar diversos estudios forenses.
El elemento más importante del hardware de televisión diseñado para resolver estos problemas es una cámara de televisión que (desde el punto de vista de la teoría de la comunicación de la información, en el triángulo de información «objeto — señal — persona»), al ser una fuente de señal de video, puede potencialmente proporcionar la cantidad máxima de información de vídeo creada, al mismo tiempo que se hace coincidir la velocidad de su formación con las velocidades de suministro, transmisión y recepción de información por parte de otros componentes del sistema de televisión.
Obviamente, la tasa de El suministro de información está determinado por la parte «natural» del modelo físico del sistema de televisión, que incluye objetos de control junto con fuentes de radiación o iluminadores.
Un aumento en la cantidad de información en la salida de una cámara de televisión siempre va acompañado de una lucha por aumentar sus parámetros “eternos”: sensibilidad y resolución.
El último parámetro determina la claridad. de la imagen de televisión generada por la cámara.
Este artículo analiza un método para aumentar la resolución de una cámara de televisión realizado sobre la base de dos matrices CCD y operando en una descomposición de fotograma pequeño. modo, para el cual la velocidad de escaneo y, en consecuencia, la velocidad de la señal de imagen son mucho más lentas que en el estándar de transmisión según GOST 7845-92.
La señal de vídeo de fotograma pequeño en la salida de la cámara tiene un formato de fotograma estándar (4/3) y el número de elementos fotosensibles en una fila se duplica debido a la «unión» electrónica, lo que proporciona un aumento del doble. en resolución horizontal.
Una medida de la resolución de una cámara de televisión es el número de elementos fotosensibles (píxeles) del fotodetector matricial del CCD, que muestrea la imagen óptica de entrada en dos coordenadas espaciales y en el tiempo.
El papel del número de píxeles en una imagen de televisión lo destacó el fundador de la televisión electrónica, V.K. Zvorykin, quien formuló el principio de precisión suficiente al transmitir información de vídeo.
Según este principio, que los trabajadores de la televisión moderna De acuerdo con [1], el número de píxeles no debe ser ni demasiado grande ni demasiado pequeño.
Si el número de píxeles es demasiado grande y el área del objetivo de la fotografía es limitada, la imagen se «ahoga» en el ruido de los fotones, y si el número de píxeles es demasiado pequeño, el número de imágenes distinguibles se reduce drásticamente.
En el caso de distinguir un objeto conocido de antemano, el número de píxeles por su tamaño lineal no debe ser inferior a un número determinado según la clasificación, por ejemplo según el criterio de Johnson [2 , pag. 492].
Desafortunadamente, la incertidumbre a priori de los objetos observados por la cámara de televisión, que se ve agravada por la no invariancia de la respuesta del fotodetector CCD al desplazamiento de la imagen de entrada, conduce a la ausencia de un requisito universal para la resolución de la imagen. cámara de televisión.
Para los objetos de diagnóstico forense, es cierto que son objetos con una alta densidad de componentes individuales, pero que se encuentran en un estado estático.
Por ejemplo, estos artículos son documentos escritos, en los que sus detalles (actas, impresiones de sellos y estampillas, textos mecanografiados, notas, etc.) están sujetos a investigación en primer lugar; materiales con los que están hechos (papel, pinturas, adhesivos, etc.);
huellas dejadas por instrumentos de escritura y otros dispositivos (sellos, sellos, máquinas de imprimir, etc.) ;
residuos de sustancias de grabado utilizadas para eliminar texto, etc. [3].
En este caso, la cámara de televisión debe garantizar, en primer lugar, la formación de la información de vídeo lo menos distorsionada posible para su posterior entrada en el ordenador.
Probado teórica y prácticamente en [4, pag. 60], que es más ventajoso en términos de la máxima relación señal-ruido para tales objetos en un modo de descomposición de fotograma pequeño en lugar de transmisión en una cámara CCD.
El El uso de varios fotodetectores CCD e imágenes electrónicas “unidas” para aumentar la resolución de una cámara de televisión se encuentra repetidamente en la literatura.
Así, según la patente americana [5], la cámara utiliza dos matrices CCD con espacios entre los píxeles. La separación del haz óptico se realiza mediante una unidad óptica que contiene una lente y dos espejos, uno de los cuales es translúcido y el otro reflectante.
En este caso, la posición espacial relativa del CCD matrices se establece de tal manera que los píxeles de la primera matriz CCD se desplazan horizontalmente con respecto a la segunda matriz CCD la mitad del ancho de un píxel.
Esta cámara proporciona potencialmente un aumento del doble en la resolución horizontal en comparación con una cámara en una sola matriz CCD, sin embargo, en su implementación práctica, surge el problema de mantener una alta precisión del desplazamiento relativo de dos CCD.
Además, la presencia de espacios obligatorios entre elementos en las matrices CCD provoca una pérdida de flujo luminoso y, en consecuencia, una disminución de la sensibilidad de la cámara.
En otra cámara de televisión [6], utilizando un convertidor de fibra óptica, la imagen óptica de entrada se divide horizontalmente en dos partes de acuerdo con las dimensiones geométricas del objetivo fotográfico de la matriz CCD.
La ventaja de este método es la eliminación del requisito de espacios entre píxeles para las matrices CCD, sin embargo, su desventaja significativa es el cambio en el formato de la imagen de salida en comparación con el formato de la foto objetivo del CCD. matriz en una proporción de 2:1
A continuación se muestra una solución técnica para una cámara de televisión de formato pequeño basada en dos matrices CCD.
Para esta cámara, el número de píxeles en una señal de vídeo lineal es igual a número total de elementos en los registros horizontales del CCD, y el formato del fotograma coincide con el formato fotoobjetivo de un solo CCD y es estándar (4/3). En la figura 1 se muestra el diagrama de bloques de una cámara de televisión, cuyo dispositivo se considera una invención [7]. 1.
Arroz. 1. Diagrama de bloques de una cámara de televisión de marco pequeño según la invención [7]
Contiene una lente anamórfica (1); divisor de haz (2); dos matrices CCD (3) y (4); convertidores de nivel (5), (6), (7), (8), (9) y (10); oscilador maestro (11); sincronizador (12); formadores de pulso (13) y (18); amplificadores de vídeo buffer (14) y (15); sumador (16); divisor por dos (17).
Las diferencias significativas de la cámara son el uso de una lente anamórfica y un divisor de haz tipo prisma.
Una lente anamórfica está diseñada para ampliar una imagen óptica en una dirección. En esta solución, el coeficiente anamórfico horizontal de la lente (1) es 0,5 [8].
El divisor de haz (2) asegura que la imagen de la salida de la lente (1 ) se divide en dos mitades con un borde vertical, dirigiéndolas a los objetivos fotográficos de las matrices CCD.
Las matrices CCD (3) y (4) son del mismo tipo y pueden tener una organización de circuito de “transferencia de cuadro” o “transferencia de cuadro de línea”.
En esta solución, el Muy utilizados en nuestro país para matrices CCD en serie, tienen una organización de “transferencia de trama” de tres fases. La tasa de muestreo de píxeles en los registros horizontales de ambos fotodetectores es dos veces mayor que la tasa de control en una cámara de televisión que utiliza un solo CCD.
Pero porque El modo de descomposición en la cámara propuesta es de fotograma bajo; esta nueva frecuencia sigue siendo significativamente más baja que la frecuencia de lectura elemento por elemento del CCD cuando opera en el estándar de transmisión. Por lo tanto, este aumento en la velocidad de salida de los elementos de carga no introducirá prácticamente errores adicionales en la señal de video.
Consideremos el funcionamiento de la cámara de televisión de dos matrices propuesta.
La imagen de la escena observada se proyecta a través de una lente anamórfica (1) y un divisor de haz (2) en el objetivo fotográfico de las matrices CCD (3) y (4). El factor anamórfico de la lente (1) a través del campo del marco es 0,5.
Luego, la mitad derecha de la imagen óptica del objeto de prueba, estirada dos veces horizontalmente, termina en el objetivo fotográfico (3-1) de la primera matriz CCD, y la mitad izquierda de la imagen del objeto, también estirada dos veces horizontalmente, en el objetivo fotográfico de la segunda matriz.
El oscilador maestro (11) funciona a una frecuencia dos veces mayor que en una cámara de televisión fabricada en una única matriz CCD. Por otro lado, un divisor por dos (17) asegura el funcionamiento del generador de reloj (12) sin cambiar la grilla de frecuencia.
En ambas matrices CCD, a la velocidad de descomposición de cuadros pequeños durante el avance del escaneo de cuadros, las imágenes ópticas en los fotoobjetivos (3-1) y (4-1) se convierten en imágenes de carga, y luego se produce la transferencia sincrónica de cargue paquetes de cuadros durante el recorrido inverso, respectivamente, en la sección (3-2) y en la sección (4-2).
Durante el avance de la exploración de fotogramas del siguiente fotograma, los paquetes de carga se leen alternativamente desde la sección (3-2) al registro de salida (3-3) y desde la sección (4-2) al registro (4-3).
En este caso, durante la primera mitad de la parte activa de cada línea del cuadro, la línea de carga del tramo (3-2) se lee al doble de velocidad, y durante la segunda mitad de la parte activa de la línea — a la misma velocidad doble, la línea de carga de la sección (4-2).
Tenga en cuenta que el control necesario del funcionamiento de los registros CCD (3-3) y (4-3) se realiza mediante los bloques (11), (13), (18), así como convertidores de nivel que funcionan al doble de frecuencia. del elemento (PU9) y (PU10).
Gracias a esto, las señales de vídeo en las salidas de ambas matrices CCD contienen información de vídeo con una escala restaurada (sin distorsión) para la derecha e izquierda del objeto de prueba.
A continuación, a través de los amplificadores de vídeo buffer (14) y (15), las señales de vídeo del CCD se suministran al sumador (16), donde se realiza el procedimiento para su procesamiento preliminar y “cosido”.
El diagrama estructural del sumador ( 16) se muestra en la Fig. 2.
Fig. 2. Diagrama de bloques del sumador según la invención [9]
19, 20, 23 – bloques de fijación de nivel; 21 – bloque de muestreo con “costuras”; 22 – multiplicador analógico; 24 – amplificador de vídeo buffer
El sumador (16) realiza las siguientes funciones:
- restauración de la componente constante de la señal de vídeo del primer canal ;
- restauración del componente constante para la señal de video del segundo canal;
- seleccionar en las señales de video de cada canal secciones de información de video dentro de cada elemento de imagen y almacenarla durante el período del elemento;
- combinar (“unir”) dos señales de vídeo eliminando el efecto de la diferencia en el nivel de fijación;
- ecualización de las ganancias de la señal de vídeo en cada canal y equilibrio;
- restauración de el componente constante de la señal de vídeo combinada;
- conversión tampón de la señal de vídeo combinada para funcionamiento con una carga de baja impedancia.
La solución técnica del sumador (16) se puede realizar según la invención [9 ]. Como resultado, a la salida del sumador “Vídeo” (16), y por tanto de la cámara de televisión, se forma una señal de vídeo de cuadro bajo con el formato de cuadro de un fotodetector CCD y se duplica el número de elementos de descomposición horizontal.
Es obvio que para la cámara de televisión propuesta, la resolución horizontal (N x) en líneas de televisión puede determinarse mediante la relación:
N x = (M1 + M2) x 1/k,
donde
M1, M2 – el número de píxeles seguidos para la primera y segunda matrices CCD;
k – formato de fotograma (4/3).
Para Matrices CCD modernas de resolución estándar M1 = M2 = 500. Entonces N x = 750 cuerpos. lin.
Si tomamos matrices CCD con resolución aumentada como fotodetectores, entonces M1 = M2 = 760. En este caso, N x = 1140 cuerpos. línea.
Literatura
1. Nikitin V.V., Tsytsulin A.K. Televisión en sistemas de protección física: Universidad Electrotécnica Estatal de San Petersburgo “LETI”, 2001.
2. Generadores de señales de imágenes de semiconductores. Ed. P. Jespers, F. Van de Wiele, M. White. “Mir”, 1979.
3. Kekin A.G. y [otro]. Hardware para autenticación de documentos basado en el método óptico de pruebas no destructivas.//Equipos especiales, 2003, No. 2, págs. 30 – 40.
4. Khromov L.I. y [otros].Televisión de estado sólido. M. “Radio y Comunicación”, 1986.
5. Patente de EE.UU. nº 4038690, H04N 3/14, clase 358/213; 357/24; 357/30. Sistema de generación de señal de vídeo CCD. Publ. 26.07.78
6. Solicitud francesa nº 2476949, H04N 5/32; H05G 1/60, 1/64. Dispositivo para la obtención de imágenes de televisión mediante dispositivos de carga acoplada y un sistema de transmisión con un dispositivo similar. Publ. 28.08.81.
7. La decisión de emitir una patente de RF para una invención bajo la solicitud No. 93047421/09(045521) de fecha 21.09.93. MKI6 H04N 3/14, 5/335. Cámara de televisión de fotograma bajo basada en dispositivos de carga acoplada./V.M. Smelkov. Solicitante – Instituto de Investigación Empresarial Unitaria del Estado Federal de PT “Rastr”.
8. Mapas de accesorios y bloques anamórficos para el rodaje de películas en pantalla ancha./Revisión de lentes cinematográficos de producción nacional y extranjera para el rodaje de películas normales, panorámicas, de gran formato y de 16 mm. Compilado bajo la dirección de F.S. Novika. Moscú, 1969, pág. 165.
9. Patente de EE.UU. nº 4378571, H04N 3/14, 5/14, 5/20, clase 358/213; 358/160. Dispositivo de procesamiento de señal de vídeo analógico de tipo serie para fotodetectores CCD. Publicado el 29 de marzo de 1981.