ЗАО 'НПК ВИДЕОСКАН'. Системы ввода и обработки изображения

Создание цифрового телевизионного комплекса на 6-м оптическом телескопе БТА САО РАН

СОЗДАНИЕ ЦИФРОВОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО КОМПЛЕКСА
НА 6-М ОПТИЧЕСКОМ ТЕЛЕСКОПЕ БТА САО РАН
Комаров В.В., Витковский В.В., Власюк В.В.,
Фоменко А.Ф., Шергин В.С.

Аннотация
Введение
Структурная схема цифровой телевизионной сети БТА
Основные требования к приемным устройствам видеосети БТА
Конфигурация телевизионных камер БТА
Видеосервер БТА
Программное обеспечение и интерфейс наблюдателя
Удаленный доступ к цифровому телевизионному комплексу
Заключение


Аннотация

Создан цифровой телевизионный комплекс 6-ти метрового оптического телескопа БТА (Большой Телескоп Азимутальный) САО (Специальной Астрофизической Обсерватории) РАН (Российской Академии наук). Комплекс построен на базе видеосервера, включающего фрейм-грабер VS56/VS60, который имеет входы для 4-х независимых телевизионных аналоговых сигналов с программно-управляемым выбором одного из них для последующей оцифровки видеоизображения. Данный комплекс позволяет получать цифровую видеоинформацию от всех 3-х фокусов БТА и, тем самым, обеспечить все наблюдательные программы, использующие телеподсмотры БТА, цифровым видеоконтролем за наблюдаемым объектом и позволяет производить накопление и обработку изображений, а также втогидирование объекта. Программы управления видеосервером, а также обработкой телевизионной информации, включая и гидирование объекта по его видеоизображению, написаны в ОС Linux и позволяют подключаться к видеосерверу с любого компьютера в локальной сети САО и выполнять независимую обработку наблюдаемых изображений.

Введение

Применение в астрономии новейших достижений в области оптико-электронных систем и вычислительной техники позволяет по-новому взглянуть на методику использования телевизионных средств в астрономических наблюдениях. С появлением высокочувствительных телевизионных приемников изображений, оказалось возможным перевести контроль за наведением на объект, отождествлением и гидированием в режим телевизионного мониторинга. Как результат такого подхода, на крупных телескопах появились удаленные от светоприемной аппаратуры рабочие места (на БТА - аппаратная), где стали концентрироваться все средства контроля и управления наблюдениями.

Объединение всех телевизионных средств БТА в единый комплекс с оцифровкой видеосигналов позволяет решать новые задачи:
  • одновременный контроль за работой нескольких телеустройств на одном компьютере;
  • цифровая обработка изображений от телекамер БТА;
  • сложение кадров;
  • запись изображений в архив;
  • автогидирование объекта;
  • вывод текущих изображений в компьютерную сеть САО и Интернет.

Структурная схема цифровой телевизионной сети БТА

Развитие обработки изображений от телевизионных камер на оптических телескопах идет по двум основным направлениям:
  • передача аналоговых сигналов в специализированный сервер для их оцифровки и обработки;
  • оцифровка изображений контроллерами телекамер с передачей цифровых сигналов для дальнейшей обработки и архивизации.
В качестве первого подхода к созданию цифровой видеосети БТА, нами был принят простой и доступный вариант с оцифровкой аналоговых телевизионных сигналов контроллерами фирмы "Videoscan" и использованием стандартного компьютера в качестве центрального видеосервера.

Наблюдательная аппаратура на БТА устанавливается в 3-х фокусах: в первичном фокусе (ПФ) и вторичных фокусах (Н1 и Н2). От аппаратной БТА, с учетом линий связи, эти фокусы удалены, в среднем, на расстояние 150 - 200м. Эти характеристики телескопа определили структуру и технические параметры видеосети.

Видеосеть БТА представляет собой телевизионный комплекс, в котором сигналы от всех телекамер поступают в видеосервер для дальнейшей оцифровки, компьютерного контроля и обработки изображений наблюдаемых объектов.

В состав цифрового телевизионного комплекса входят:
  • телекамеры поля и щелей спектрографов в фокусах Н1 и Н2;
  • телекамеры поля и щелей спектрографов в ПФ;
  • телекамеры для получения прямых снимков в ПФ;
  • внешние телекамеры обзора неба над БТА;
  • видеокамера контроля телескопа в подкупольном пространстве БТА;
  • контроллеры VS56/VS60;
  • видеосервер на базе персонального компьютера;
  • устройства управления телевизионными камерами;
  • интерфейс наблюдений;
  • программное обеспечение.

Основные требования к приемным устройствам видеосети БТА

При отождествлении и гидировании астрономических объектов поток света на входном зрачке телескопа изменяется на 6-8 порядков, в зависимости от яркости наблюдаемых источников и фона неба. Поэтому, телевизионные камеры, применяемые для обеспечения наблюдательных астрономических программ, должны обладать высокой чувствительностью в стандартном черезстрочном режиме разложения телесигнала (625строк, 25кадров/сек). Для современных телекамер среднепиксельного формата это соответствует световому диапазону от Nmin до Nmax, где:
  • Nmin ~ 1-2 фотон/канал/сек - нижняя граница светового потока - это средний фон (свечение) ночного неба, эквивалентный блеску звезды около 20 звездной величины в желтой области спектра.
  • Nmax ~ 1.0Е+6 фотон/канал/сек - средняя верхняя граница светового потока для точечных и протяженных объектов в фильтре V, эквивалентно 0 звездной величине.
Следует подчеркнуть, что максимальный поток фотонов на канал обратно пропорционален квадрату среднего диаметра изображения звезды, формируемого турбулентной атмосферой. Для визуализации слабых астрономических объектов, освещенность которых в фильтре V на входе телевизионных камер составляет E ~ 1.0E-6 лк, что соответствует регистрации N ~ 2 фотон/канал/сек, т.е. совпадает с Nmin. Таким образом, телевизионные камеры при световых потоках с Emin ~ 1.0E-6 лк входят в режим регистрации одноэлектронных событий, наблюдаемых на экране видео-контрольных устройств (ВКУ) как единичные сцинцилляции.

Конфигурация телевизионных камер БТА

В описываемом телевизионном комплексе применяются три типа телекамер, удовлетворяющих вышеперечисленным требованиям. Для построения телеподсмотров БТА были выбраны общеизвестные подходы построения высокочувствительных телекамер по принципам I-SIT и ICCD.

Видеосервер БТА

При создании единой видеосети БТА были рассмотрены варианты ее конфигурации на базе раличных новейших технических устройств, предлагавшихся производителями на тот момент:

  • фрейм-граберы в стандарте CompactPCI - позволяют осуществлять оцифровку до 4-х телевизионных сигналов непосредственно в фокусах БТА и передавать изображение в реальном времени по сетям до 132 Мб/с;
  • оптические кодеры в стандарте АТМ - оцифровка до 6-ти телесигналов и передача "живого" видео (до 25 кадр/сек PAL) в среде АТМ до 155 Мб/с;
  • готовые видеосерверы в стандарте Ethernet - оцифровка до 5-ти ТВсигналов и передача до 6 кадр/с по линиям Ethernet 10 Мб/с;
  • видеоконтроллеры, встраиваемые в компьютер - оцифровка до 4-х видеосигналов и передача изображений до 3 кадр/с (ISA) и 12 кадр/с (PCI) по сети Ethernet.
В начале работ по созданию видеосети был выбран простой и недорогой способ оцифровки видеосигнала с помощью 4-х канального контроллера VS56(ISA), а затем и более быстродействующий фрейм-грабер VS60(PCI) фирмы "Videoscan" в видеосервере БТА на базе компьютера Pentium 200MMX.

Видеосервер располагается в аппаратной БТА, куда сходятся все магистральные линии из 3-х фокусов. Следует отметить, что помимо обеспечения основных фокусов БТА телевизионной аппаратурой, в процессе наблюдений выявилась потребность во вспомогательных телеканалах:
  • телегид БТА;
  • телекамеры внешнего наблюдения ночного неба;
  • телекамеры внутреннего наблюдения за работой телескопа;
  • видеокамеры наблюдения и видеосвязи в аппаратных.
В настоящее время видеосервер позволяет обрабатывать изображения от следующих телеподсмотров:
  1. ТВ камеры в первичном фокусе CПФ (ISIT,ICCD (рис.6), CCD (рис.11))
  2. ТВ подсмотр поля в фокусе Н1 (ICCD) (рис.8)
  3. ТВ подсмотр поля в фокусе Н2 (ISIT)
  4. ТВ подсмотр щели в фокусе Н1 (ISIT) (рис.12)
  5. ТВ подсмотр щели в фокусе Н2 (ISIT) (рис.13)
  6. ТВ камера телегида (ICCD) (рис.7)
  7. 100град.обзор околозенитной области неба над БТА (CCD) (рис.3)
  8. (30-70)град.панорамный обзор неба над БТА (ISIT). (рис.9)
  9. ТВ камера контроля положения телескопа и освещенности в подкупольном пространстве БТА. (рис.10)


Программное обеспечение и интерфейс наблюдателя

Создание единой цифровой видеосети требует адекватного программного обеспечения:
  • управления режимами работы телевизионных камер;
  • внедрения в изображение необходимых маркерных сигналов;
  • отождествления объекта;
  • накопления изображения и покадрового усреднения;
  • автогидирования объекта;
  • возможность стандартной обработки изображения;
  • записи изображений в архив;
  • необходим также дружественный интерфейс наблюдателя.
В современных телевизионных кодерах многие эти функции заложены аппаратно и программно (прошивки недоступны пользователю). При использовании VS56/VS60 мы имеем возможность изменять работу контроллера в соответствии со своими требованиями, поэтому для работы видеосервера БТА были написаны программы управления комплексом и обработкой телевизионной информации. Программы реализованы в ОС Linux и позволяют подключаться к видеосерверу с любого компьютера локальной сети САО и независимо обрабатывают наблюдаемые изображения. Создан интерфейс, позволяющий управлять всем комплексом, открывая одновременно до 4-х окон. В каждом выводится независимое изображение одной из телекамер БТА.

Изображение наблюдаемого объекта может оцифровываться как для одиночного кадра, так и суммы любого количества кадров. Для ускорения процесса считывания видеосервер может обрабатывать не полный кадр, а только его часть (фрейм).

Кроме того, видеосервер позволяет производить автогидирование объекта по цифровому видеоизображению. Создан специальный интерфейс автогидирования, с помощью которого измеренные координаты рассогласования захвата объекта на цифровом изображении телеподсмотра передаются для корректировки в автоматизированную систему управления телескопом БТА.

Удаленный доступ к цифровому телевизионному комплексу


Получение доступа к видеосерверу БТА с любого рабочего места в компьютерной сети САО, уже дает нам возможность удаленной работы с телевизионными каналами 6-ти метрового оптического телескопа. Написанные программы в ОС Linux позволяют удаленному от телескопа пользователю работать точно с такими же возможностями, что и непосредственно на БТА. Аналогично можно вести наблюдение за работой 4-х подключаемых к видеосерверу работающих телеканалов, производить накопление сигнала выбранного телеподсмотра и производить его уже независимую обработку на своем компьютере. Записывать одиночные кадры или результат покадрового накопления с сохранением изображений в стандартных форматах (FITS,GIF,JPEG).
Установленная телевизионная камера контроля положения телескопа передает видеосигнал не только операторам БТА, но также и на веб-камеру на сайте САО (левая), что позволяет наблюдателю иметь визуальную информацию о положении телескопа в данный момент времени, а также об освещении в подкупольном пространстве. Панорамная камера внешнего обзора в настоящее время передает картинку также в реальном времени на ту же домашнюю страницу (правая картинка). Страница обновляется каждые 30 секунд.


Заключение

Создание цифрового телевизионного комплекса на 6-ти метровом оптическом телескопе - очередной этап в развитии телевизионных систем БТА. Авторы хотели показать, что создание подобных комплексов можно начинать и с недорогих вариантов. Все перечисленные выше возможности удалось реализовать с помощью компьютера сбора и обработки всей телевизионной информации класса Pentium 200MMX. Конечно же, необходимы также очень хорошие линии связи как для передачи аналоговых видеосигналов к месту оцифровки телеизображений с полосой видео до 10МГц, так и линии передачи цифровых видеоизображений от 10Мб/сек.

Передача "живого" видеосигнала - 25 кадр/сек потребует телекоммуникаций не менее 100 Мб/сек. БТА, в настоящее время, уже обеспечено такими линиями передачи даже с нижней научной площадкой. Это позволяет вести дальнейшие поиски по совершенствованию астрономических наблюдений, использующих телевизионные подсмотры БТА.
ООО Видеоскан


Вниманию устроителей Гос.Конкурсов



Rambler's Top100
Яндекс цитирования

Copyright ООО "ВИДЕОСКАН" (C) использование материалов без ссылки на источник запрещено.
E-Mail: mail @ videoscan . ru   0
Тел. №: +7 (495)-989-87-08 и +7(903)-101-7441