1.5 Виявлення й розпізнавання об'єктів

Для реалізації функцій виявлення й розрізнення об'єктів вторгнення в системах безпеки широко використовуються пристрої, засновані на різних фізичних принципах формування тривожних сигналів. Висока надійність ухвалення рішення про вторгнення порушників досягається логічним об'єднанням сигналів, що надходять з різних засобів виявлення, що утворюють рубежі охорони. Найефективніші системи, у яких для формування сигналів використовуються незалежні (ортогональні) властивості порушника – оптичні й акустичні сигнали, інфрачервоний і сейсмічний або радіохвильовий сигнали. Для підвищення вірогідності ухвалення рішення про вторгнення на об'єкт, що охороняється, застосовуються різні методи комбінування сигналів від рубежів охорони. Об'єднання сигналів за принципом збігу (схема "І") дозволяє знизити ймовірність фіктивної тривоги Р_фт, а оголошення тривоги за сигналом кожного з рубежів (схема "АБО") дозволяє знизити ймовірність пропуску порушників Р_пр. Імовірності помилок системи з двома ортогональними рубежами охорони наведені в табл. 1.1.

Таблиця 1.1 – Імовірності помилок системи з двома ортогональними рубежами охорони

Імовірність	Спосіб об'єднання сигналів
	Схема "І"	Схема "АБО"
Фіктивна тривога в системі	Рфт1Рфт2 << Рфт1, Рфт2	Рфт1 + Рфт2 – Рфт1Рфт2 >>Рфт1, Рфт2
Пропуск порушників системою	Рпр1+Рпр2 – Рпр1Рпр2 > >Рпр1, Рпр2	Рпр1Рпр2 << Рпр1, Рпр2

Якщо кількость рубежів більше двох, можливі складніші комбінації, що одночасно знижують і ймовірність фіктивної тривоги і ймовірність пропуску порушників.

Теорія виявлення, розрізнення й оцінювання сигналів розроблялася стосовно до радіолокації. Розвиток методів виявлення дозволяє з єдиних позицій розглянути не тільки радіолокацію, але й оптичну локацію (телебачення, інфрачервону техніку).

Але проектування систем виявлення цих класів має відмінності не тільки в довжині хвилі, але й у способі формування інформаційного сигналу:

– радіолокаційні системи виявлення в більшості випадків є активними;

– системи виявлення інфрачервоного діапазону використовують як активний, так і пасивний режими виявлення;

– телевізійні системи видимого діапазону довжин хвиль займають проміжне положення, тому що у видимому діапазоні власне випромінювання тіл при звичайних (не занадто високих) температурах відсутній і для спостереження необхідне підсвічування – природна (сонячна) або штучна.

До основних принципів теорії виявлення відносяться:

– принцип оптимальності: найкраще правило ухвалення рішення має забезпечувати найвищу якість за прийнятим критерієм, виходячи з апріорної інформації про сигнали й перешкоди, а також з обмежень на доступні рішення;

– принцип нагромадження: підсумовування сигналів за простором, часом й довжиною хвилі – єдиний і достатній метод боротьби з шумом (некорельованою перешкодою);

– принцип компенсації: вирахування оцінки фону – єдиний і достатній метод боротьби з корельованою перешкодою.

Ці принципи лежать в основі проектування як систем виявлення взагалі, так і систем відеоспостереження зокрема. Наприклад, на основі принципу оптимальності здійснюється узгодження розмірів елемента розкладання матриці ПЗС з колом розсіювання об'єктива для забезпечення максимуму відносин сигнал/шум при обмеженій освітленості. Принцип нагромадження реалізується інтегруванням фотоелектронів у межах часу кадру (від 20 мс і менше), площі елемента розкладання (приблизно від 4х4 до 20х20 мкм) і інтервалу довжин хвиль, до яких чутлива матриця ПЗС (від 0,4 до 1 мкм). Принцип компенсації знаходить своє втілення в телевізійних детекторах руху, що використовують у своїй роботі різні модифікації алгоритму вирахування з поточного зображення оцінки фону за попереднім ТВ-кадром.

Особливістю застосування теорії рішень при розробці ТВ-систем забезпечення безпеки є труднощі формалізації характеристик спостережуваних об'єктів і етапів прийняття рішень. Апріорна невизначеність зображень при вторгненні порушників досить висока, хоча в цьому випадку на екрані монітора з'являються образи, що мають цілком певний зміст. Різноманітність позаштатних ситуацій (не вважаючи різноманітності постійного в часі фону – огороджень і споруджень об'єкта, що охороняється) не може зводитись до невеликого набору класифікованих образів з простими параметрами невизначеності (масштаб, положення, поворот). Тому при побудові систем відеоконтролю не часто вдається скористатися готовими рішеннями теорії розпізнавання образів. Винятком є застосування телевізійно-комп'ютерних систем визначення номерних знаків автомобіля. У цих системах завдяки застосуванню нейроподібних алгоритмів розпізнавання обмеженої кількості цифр і букв можна досягти ймовірності правильного розпізнавання до 98% при захопленні телевізійного кадру з номерним знаком, що займає істотну частину поля зору телекамери.

Процес ухвалення рішення оператором ТВ-системи містить чотири взаємозалежних етапи: виявлення, класифікацію, розрізнення й упізнавання. Під виявленням мається на увазі виділення об'єкта на фоні й віднесення його до класів об'єктів, що представляють потенційний інтерес. Класифікація означає віднесення виявленого об'єкта до одного з широких класів (людини, транспортного засібу). Розрізнення означає віднесення спостережуваного об'єкта до більш вузького підкласу (вантажного чи легкового автомобіля). На стадії впізнавання можна встановити тип об'єкта (марку автомобіля).

Апріорна невизначеність зображень порушників приводить до необхідності встановлення зв'язку параметрів ТВ-системи з імовірнісними характеристиками впізнавання об'єктів, що виявляються.

Детальні дослідження цих зв'язків показали, що вони залежать від багатьох факторів:

– характеристики об'єкта, що виявляється (відношення сигнал/шум, контраст, кутовий розмір, градієнт яскравості на краях об'єкта, складність контуру, місце на екрані монітора, форма, орієнтація, перспективні перекручування, швидкість руху, яскравість зображення);

– характеристики сюжету (яскравість фону, інтенсивність шуму фону, швидкість руху фону);

– характеристики спостерігача (тренованість, мотивування дій, стомлення, одержання попереднього інструктажу, вік, індивідуальні особливості, робоче навантаження, метод пошуку, кількість спостерігачів і спосіб зв'язку між ними, периферична гострота зору);

– тактичні вимоги (площа зони пошуку, припустимий час пошуку з моменту появи об'єкта, освітленість у приміщенні охорони та ін.).

Далі розглядається роль головних з цих факторів – відношення сигнал/шум і розміру об'єкта, що упізнається, на екрані монітора.

Під відношенням сигнал/шум розуміється відношення сигналу перепаду між спостережуваним об'єктом і фоном до середньоквадратичного значення шуму.

Реальне відношення сигнал/шум для об'єкта, що виявляється, менше максимального при даній освітленості на величину контрасту об'єкта щодо фону.

Розмір об'єкта на екрані монітора може вимірятися у сантиметрах, і радіанах, але для аналізу ймовірності впізнавання об'єкта варто застосувати іншу міру – кількість елементів розкладання. Роль кількості елементів у ТВ-зображенні відмічалась основоположником електронного телебачення В. К. Зворикіним, який сформулював принцип достатності точності при передачі відеоінформації. Відповідно до цього принципу кількість елементів має бути не занадто великим, і не занадто малим. При надмірно великій кількості елементів і обмеженій площі фотоприймача зображення "тоне" у фотонному шумі; при занадто малій кількості елементів різко скорочується кількість помітних образів.

У випадку розрізнення відомої заздалегідь кількості сигналів кількість елементів розкладання, що доводиться на зображення об'єкта, має бути не менше кількості об'єктів, що класифікуються. При зменшенні кількості елементів розкладання (рядків) на розмір об'єкта губиться інформація про об'єкт. Навіть, здавалося б, найпростіше завдання розрізнення одноелементного об'єкта від двоелементного неможливо вирішити безпомилково. Це пов'язане з неминучими перекручуваннями форми сигналів при нагромадженні й дискретизації оптичного сигналу в матричному фотоприймачі. Через такі перекручування при зменшенні кількості рядків на об'єкт імовірність упізнавання об'єкта зменшується. Конкретне значення зменшення ймовірності правильної класифікації зображень при недостатньому відношенні сигнал/шум і кількості елементів розкладання залежить від кількості зображень, що класифікуються, і їх відмінностей один від одного. Приклади таких залежностей наведені на рис 1.5.

Рисунок 1.5 – Імовірність розрізнення класів автомобілів (а) і правильного визначення типу автомобіля (б) у функції відношення сигнал/шум ψ для різної кількості рядків n, що укладаються по висоті зображення

Апріорна невизначеність у кількості образів, що дозволяються, і неінваріантність (shift variance) відгуку фотоприймачів до зрушення зображення приводять до відсутності універсальної вимоги до чіткості ТВ-зображення.

У результаті проектувальники ТВ-систем безпеки використовують різні емпіричні правила, наприклад, критерії Джонсона, що пов'язують імовірність правильного рішення з кількостю рядків, що доводяться на розмір об'єкта. Критерії Джонсона, усереднені за всіма класами об'єктів, мають значення, наведені в табл. 1.2.

Таблиця 1.2 – Усереднені критерії Джонсона

Розв'язуване завдання	Кількість рядків, необхідних для забезпечення 50%-ї імовірності правильного рішення
Виявлення	2
Визначення орієнтації	3
Розрізнення	6
Упізнавання	14

У завданні розрізнення сигналів завжди потрібна більша чіткість, ніж при виявленні. Необхідне збільшення чіткості залежить від ступеня невизначеності в спостережуваному зображенні. Так, якщо необхідно пізнати відому операторові людину, то, за рекомендаціями МВС Великобританії, ії зображення має займати 50% растра; ідентифікація індивідуальних ознак невідомої особистості вимагає збільшення розміру зображення людини до 120% растра (рис. 1.6)

Рисунок 1.6 – Рекомендовані розміри зображення при виявленні й класифікації

Переважна більшість застосовуваних у цей час охоронних ТВ-систем не є оптимальними з погляду теорії рішень, оскільки поле зору й параметри розкладання звичайно задаються незалежно. Кількість рядків у растрі визначається стандартом, у якому працює апаратура (PAL, SECAM, NTSC). Поле зору, як правило, вибирається з умови перекриття певної ділянки території об'єкта, що охороняється.

Оптимальний вибір поля зору (місце встановлення телекамери й фокусна відстань об'єктива) має здійснюватися, виходячи з забезпечення чіткості, що гарантує задану ймовірність правильного рішення. На практиці така вимога приводить до збільшення кількісті телекамер у контрольованій зоні в порівнянні з передбаченим у вихідних вимогах на систему. Додатковими засобами збільшення якості прийнятих рішень є використання телекамер, оснащених об'єктивами зі змінною фокусною відстанню. При цьому проектувальника підстерігає небезпека спроектувати систему з завищеними технічними характеристиками. Для виключення подібної крайності варто знайти компроміс між вимогами економіки й безпеки (1.1).