Предложения по разработке камер видеонаблюдения повышенной чувствительности

Аннотация

Предложен алгоритм оценки чувствительности видеокамер по отношению сигнал/шум на основе анализа распределения спектральной плотности мощности сигнала и шума в реальных видеоизображениях. Алгоритм протестирован на большом числе реальных изображений видимого диапазона, полученных в разное время года и в разное время суток. Показано хорошее соответствие получаемых значений сигнал/шум уровню освещенности сцены по сравнению с другими алгоритмами. Аппаратная реализация алгоритма непосредственно в видеокамере позволит автоматически включать режим повышенной чувствительности при снижении уровня сигнал/шум ниже некоторого порога при уменьшении освещенности сцены. В качестве режима повышенной чувствительности предложен метод на основе аппаратного биннинга с восстановлением пространственного разрешения. Для обеспечения восстановления пространственного разрешения бинниг в соседних видеокадрах осуществляют со сдвигом по диагонали, хотя бы на один пиксель фоточувствительной матрицы видеокамеры. При этом образуется пространственно-временная решетка пикселей, перемежаемых нулевыми строками и столбцами, в виде шахматного поля, которая затем подвергается трехмерной интерполяционной фильтрации. Согласно результатам экспериментов, в зависимости от кратности биннинга отношение сигнал/шум повышается на 10...15 дБ. Пиксельный размер видеокадров восстанавливается полностью, а пространственное разрешение --- на 80 % от исходного при биннинге 2 × 2 и не менее чем на 40 % при биннинге 4 × 4

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Дрынкин В.Н., Павлов Ю.В., Царева Т.И. Предложения по разработке камер видеонаблюдения повышенной чувствительности. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение, 2025, № 1 (150), с. 18--33. EDN: XWVLFD

Литература

[1] Дрынкин В.Н., Царева Т.И. Оценка чувствительности видеокамер. Цифровая обработка сигналов, 2024, № 3, с. 50--54. EDN: GYAJLS

[2] Тимофеев В. Как выбрать видеокамеру? Альтернативный метод. Алгоритм безопасности, 2007, № 6, с. 54--55. EDN: NXVNAT

[3] Govenko A., Kozhemyakin A., Tyschuk Yu. The laboratory bench for the research webcams. Достижения и перспективы инноваций и технологий. Матер. VIII Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Керчь, КГМТУ, 2019, с. 103--106. EDN: XVEECT

[4] Сергунова К.А. Исследование и разработка методов и средств контроля характеристик магнитно-резонансных и рентгеновских компьютерных томографов. Дис. ... канд. техн. наук. СПб., ЛЭТИ, 2019.

[5] Старченко А.Н., Филиппов В.Г., Югай Ю.А. Исследование температурной зависимости чувствительности телевизионных камер на КМОП-матрицах. Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, т. 17, № 4, с. 628--634. DOI: https://doi.org/10.17586/2226-1494-2017-17-4-628-634

[6] Дрынкин В.Н., Царева Т.И., Павлов Ю.В. и др. Метод повышения чувствительности видеокамер на основе биннинга с восстановлением пространственного разрешения. Цифровая обработка сигналов, 2020, № 4, с. 58--63. EDN: DOIHSL

[7] Минь Д.Б., Коротаев В.В., Тимофеев А.Н. и др. Влияние характеристик модулей стенда на погрешности определения параметров видеокамер с матричными КМОП-фотоприемниками. Известия высших учебных заведений. Приборостроение, 2020, т. 63, № 1, с. 46--54. DOI: https://doi.org/10.17586/0021-3454-2020-63-1-46-54

[8] Свиридов В.П. Влияние параметров телевизионных камер на распознавание изображений в системах безопасности. Вестник СамГТУ. Сер. Технические науки, 2005, № 33, с. 191--194. EDN: JXKNOZ

[9] Боярчук М.А., Некрасов В.В. Обзор алгоритмов оценки отношения сигнал/шум по космическим снимкам. Матер. пятой междунар. науч.-техн. конф. "Актуальные проблемы создания космических систем дистанционного зондирования Земли", 2017, с. 131--141.

[10] Лапшенков Е.М. Неэталонная оценка уровня шума цифрового изображения на основе гармонического анализа. Компьютерная оптика, 2012, № 3, т. 36, с. 439--447. EDN: PDCDGP

[11] Fan L., Zhang F., Fanet H., et al. Brief review of image denoising techniques. Vis. Comput. Ind. Biomed. Art, 2019, vol. 2, art. 7. DOI: https://doi.org/10.1186/s42492-019-0016-7

[12] Катулев А.Н., Храмичев А.А., Ягольников С.В. Цифровая обработка 2D слабоконтрастных изображений, формируемых оптико-электронным прибором в сложных фоновых условиях. М., Радиотехника, 2018.

[13] Мальцев Г.Н. Выбор режима регистрации изображений в оптических информационных системах с матричными фотоприемниками. Информационно-управляющие системы, 2004, № 2, с. 2--5. EDN: KYOKDX

[14] Цуккерман И.И., ред. Цифровое кодирование телевизионных изображений. М., Радио и связь, 1981.

[15] Бородянский А.А., Дрынкин В.Н. Вертикально-временная фильтрация в системах телевидения повышенной четкости. Рязань, Рязан. радиотехн. ин-т, 1986.

[16] Дрынкин В.Н. Многомерная цифровая фильтрация в оптико-электронных системах видеонаблюдения. М., ГосНИИАС, 2024.

[17] Горбачев В.А., Гродзицкий Л.В., Данилов С.Ю. и др. База данных регистрации объектов, полученных с использованием программных имитаторов распределенного мониторинга на основе группы беспилотных летательных аппаратов с целевыми полезными нагрузками в видимом, инфракрасном и радиолокационном диапазонах. БД 2023621349. Заявл. 11.04.2023, опубл. 27.04.2023.

[18] Титухин Н.А., Кустикова М.А. Исследование способов регулировки чувствительности и расширения динамического диапазона видеокамер для обеспечения работы в сложных условиях. Альманах научных работ молодых ученых Университета ИТМО, 2016, т. 5, с. 93--95. EDN: ZOPGNB

[19] Drynkin V.N., Nabokov S.A., Tsareva T.I. Non-orthogonal sampling as the basis for video data compression and reconstruction. J. Comput. Syst. Sci. Int., 2019, vol. 58, no. 3, pp. 454--466. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064230719030080

[20] Бородянский А.А., Дрынкин В.Н. Синтез многомерных рекурсивно-нерекурсивных фильтров. Радиотехника, 1986, № 4, с. 47--51. EDN: VAKXTB

[21] Drynkin V.N., Nabokov S.A., Tsareva T.I. Video images compression and restoration methods based on optimal sampling. Comput. Opt., 2019, vol. 43, no. 1, pp. 115--122. DOI: https://doi.org/10.18287/2412-6179-2019-43-1-115-122

[22] Дрынкин В.Н., Царева Т.И., Павлов Ю.В. Способ повышения чувствительности и частоты кадров видеокамер. Патент РФ 2757667. Заявл. 02.12.2020, опубл. 20.10.2021.