Патент на изобретение №2315255

(54) СИСТЕМА ВИЗИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к различным областям промышленности, где с помощью оптико-электронных систем производят обработку наблюдаемой информации, в частности к авиационной и морской технике (бортовые системы наблюдения), к системам промышленного и экологического мониторинга и т.д. Технический результат заключается в повышении чувствительности и разрешающей способности системы. Система содержит датчик изображения, размещенный на стабилизированной платформе, установленной на подвижном основании, блок обработки видеосигнала, включающий аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти, соединенные со схемой синхронизации чтения-записи, систему стабилизации платформы, включающую датчик угловой скорости платформы, дифференциальный усилитель, усилитель мощности и двигатель привода стабилизированной платформы, при этом в систему дополнительно вводят первый цифровой фильтр, блок адресации, обеспечивающий в первом цифровом фильтре возможность смещения сигналов датчика изображения, второй цифровой фильтр, интегрирующий фильтр, второй блок памяти и цифроаналоговый преобразователь, при этом первый блок памяти выполнен с числом ячеек, превышающим число элементов разрешения датчика изображения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к различным областям промышленности, где с помощью оптико-электронных систем производят обработку наблюдаемой информации, в частности к авиационной и морской технике (бортовые системы наблюдения), к системам промышленного и экологического мониторинга и т.д.

Известны системы визуального контроля параметров движущихся объектов, построенные по принципу телевизионных систем с матричным фотоприемным устройством (МФПУ), которые позволяют представить изображение или его фрагмент в виде дискретной матрицы, каждая точка которой соответствует определенному элементу объекта (Т.П.Катыс, Обработка визуальной информации. – М.: Машиностроение, 1990, с.65-70). Процессом формирования адресов чтения-записи управляет блок синхронизации. Первичная обработка изображения, во многом определяющая достоверность автоматического визуального контроля, и вычисление сигналов рассогласования между координатами объекта и центром растра осуществляется в цифровых микропроцессорах.

Недостатком таких систем является невысокая разрешающая способность в процессе визирования объекта при угловых колебаниях основания относительно визирной оси.

Принципы построения телевизионных систем широко известны в технической литературе (Г.Н.Грязин, Оптико-электронные системы для обзора пространства. Системы телевидения. – Л.: Машиностроение, 1988).

Для повышения чувствительности системы в двумерном фильтре производится межкадровая обработка – накопление полезного сигнала путем суммирования пространственных отсчетов нескольких кадров, поступающих с телевизионной камеры. Однако из-за ошибок стабилизации при колебаниях основания вокруг визирной оси Х возникает сдвиг изображения между кадрами, следующими со стандартной частотой f=25 Гц, который по краям кадра может быть весьма значительным и превышать несколько пикселей – элементов фотоприемной матрицы телевизионной камеры. Это приводит к размыванию и дрожанию изображения на периферии экрана видеомонитора, что ухудшает условия обнаружения объекта оператором.

Наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению является система визирования объекта (США, патент №5125595, МКИ F41G 7/20, 7/22, приоритет 1991.02.15, публ. 1992.06 30), содержащая датчик изображения (телевизионную или тепловизионную камеру), размещенный на стабилизированной платформе, блок обработки видеосигнала, представляющий собой цифровой процессор изображения, включающий аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство с четным и нечетным полем памяти, входной и выходной мультиплексоры; связанные с узкополосным фильтром и синхронизатором чтения-записи; систему стабилизации платформы, включающую датчик угла стабилизированной платформы, дифференциальный усилитель, усилитель мощности и двигатель привода стабилизированной платформы, а также систему слежения за объектом, электронный интегратор, выходной сигнал которого по цепи обратной связи воздействует на органы управления датчика изображения так, что формируемые сигналы строба совмещаются с изображением объекта, что обеспечивает возможность наблюдения и анализа параметров объекта и всего поля изображения.

В этой системе входной видеосигнал преобразуется аналого-цифровым преобразователем в цифровую форму. Цифровой видеосигнал запоминается в кадровом буфере в сжатом виде поочередно в четном и нечетном поле памяти. Мультиплексоры контролируют запись и вывод таким образом, что, если происходит запись в четное поле, то вывод производится из нечетного поля, и наоборот. Синхронизатор чтения-записи, входящий в состав цифрового процессора изображения, управляет адресами чтения и записи ячеек памяти с учетом информации с датчика угла стабилизированной платформы и сигнала электронного интегратора таким образом, что системе слежения за объектом предъявляется «стабилизированное» изображение сцены, которое и анализируется этой системой.

К недостаткам известной системы, размещенной на подвижном основании, относятся ее невысокие обнаружительные характеристики при визировании объекта в условиях недостаточной освещенности и изменяющейся дальности.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение дальности действия системы.

Поставленная задача может быть решена благодаря тому, что в известную систему визирования объекта, содержащую датчик изображения, размещенный на стабилизированной платформе, установленной на подвижном основании, блок обработки видеосигнала, включающий аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти, связанный со схемой синхронизации чтения-записи, систему стабилизации платформы, включающую датчик угловой скорости платформы, дифференциальный усилитель, усилитель мощности и двигатель привода стабилизированной платформы, вводят: первый цифровой фильтр, расположенный между аналого-цифровым преобразователем и первым блоком памяти, блок адресации, обеспечивающий в первом цифровом фильтре возможность смещения сигналов датчика изображения, блок весовых коэффициентов, интегрирующий фильтр, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, а выход – к блоку адресации и первому входу блока весовых коэффициентов, второй вход блока весовых коэффициентов подключен к первому выходу блока адресации, первый вход первого цифрового фильтра подключен к выходу схемы синхронизации чтения-записи, второй вход подключен ко второму выходу блока адресации, а третий вход – к выходу блока весовых коэффициентов. Кроме признаков, перечисленных выше, в систему дополнительно вводят: второй цифровой фильтр, первый вход которого подключен к выходу блока адресации, второй – к выходу схемы синхронизации чтения-записи, а третий – к выходу первого блока памяти, второй блок памяти, один вход которого подключен к схеме синхронизации чтения-записи, а другой – ко второму цифровому фильтру, и цифроаналоговый преобразователь, один вход которого подключен ко второму блоку памяти, а другой – к схеме синхронизации чтения-записи, при этом первый блок памяти выполнен с числом ячеек, превышающим число элементов разрешения датчика изображения.

Введение в блок обработки сигналов первого цифрового фильтра, расположенного между аналого-цифровым преобразователем и первым блоком памяти, блока адресации, обеспечивающего в первом цифровом фильтре возможность смещения сигналов датчика изображения, и блока весовых коэффициентов, подключенного к выходу интегрирующего фильтра, позволяет компенсировать межкадровый сдвиг изображения при записи его в первый блок памяти.

Введение первого цифрового фильтра, подключенного к выходам блока адресации, блока весовых коэффициентов и первого блока памяти повышает чувствительность системы путем суммирования пространственных отсчетов нескольких кадров и позволяет устранить «размытость» синтезируемого изображения, т.е. повысить разрешающую способность системы.

Введение второго цифрового фильтра и второго блока памяти, связанного со схемой синхронизации чтения-записи и вторым цифровым фильтром, а также цифроаналогового преобразователя позволяет при необходимости преобразовать изображение, хранящееся в первом блоке памяти, например, к увеличенному масштабу изображения, микшировать его и т.д.

Выполнение первого блока памяти с числом ячеек, превышающим число элементов разрешения датчика изображения, делает возможным осуществлять запись изображения наблюдаемой сцены с повышенным угловым разрешением.

Введение интегрирующего фильтра, связанного с дифференциальным усилителем, подключенным к входу датчику угловой скорости и, через усилитель мощности и двигатель привода стабилизированной платформы, с датчиком изображения, позволяет определить сдвиг изображения между кадрами в фокальной плоскости датчика изображения.

Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, – повышение чувствительности и разрешающей способности системы в процессе визирования объектов при угловых колебаниях основания, на котором установлена стабилизированная платформа с датчиком изображения.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется иллюстрационными материалами:

на фиг.1 приведена структурная схема системы;

на фиг.2 – схема пространственной дискретизации изображения и формирования пространственных отсчетов элементами телевизионной камеры.

На фиг.2 введены следующие обозначения:

OYZ – система координат изображения в плоскости предметов,

– элемент дискретизации исходного изображения, соответствующий элементу фоточувствительной матрицы телевизионной камеры (первый кадр, срока , столбец , проекция в плоскость предметов),

– элемент дискретизации изображения в текущем i-м кадре, подлежащем обработке;

a_kl – элементы дискретизации обработанного (синтезированного) изображения, соответствующие ячейкам блока памяти 6 при числе элементов по строкам k и столбцам l, превышающем число строк и столбцов фоточувствительной матрицы;

– расстояние от центра растра (оси визирования) до элемента разрешения датчика изображения;

ⁱ _х – угол поворота изображения в период между первым и i-м кадрами;

– площади проекций элемента разрешения развернутого изображения в текущем кадре на элементы разрешения a_kl синтезируемого изображения.

Система содержит датчик изображения 1, размещенный на стабилизированной платформе 2, которая установлена на подвижном основании (на фиг.1 не показано), блок обработки видеосигнала 3, включающий последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь 4, подключенный к выходу датчика изображения 1, первый цифровой фильтр 5 и первый блок памяти 6, а также схему синхронизации чтения-записи 7, блок адресации 8 и блок весовых коэффициентов 9; систему стабилизации платформы 10, включающую последовательно соединенные датчик угловой скорости 11, дифференциальный усилитель 12, усилитель мощности 13 и двигатель 14 привода стабилизированной платформы 2. Для формирования сигнала, пропорционального ошибке стабилизации платформы, в систему введен интегрирующий фильтр 15, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя 12, а выход – к информационным входам блока адресации 8 и блока весовых коэффициентов 9. Система содержит также последовательно соединенные второй цифровой фильтр 16, первый информационный вход которого подключен к выходу первого блока памяти 6, второй блок памяти 17, цифроаналоговый преобразователь 18 и видеомонитор 19. Режим работы аналого-цифрового преобразователя 4, первого цифрового фильтра 5, первого блока памяти 6 и блока адресации 8, интегрирующего фильтра 15, второго цифрового фильтра 16, второго блока памяти 17 и цифроаналогового преобразователя 18 задается схемой синхронизации чтения-записи 7, информационный вход которой соединен с другим выходом датчика изображения 1. При этом три выхода блока адресации 8 подключены соответственно ко вторым информационным входам первого цифрового фильтра 5, блока весовых коэффициентов 9 и второго цифрового фильтра 16, причем третий информационный вход первого цифрового фильтра 5 подключен к выходу блока весовых коэффициентов 9.

Предлагаемая система работает следующим образом.

Изображение объекта (заданной точки местности) воспринимается датчиком 1 (телевизионной или тепловизионной камерой) с объективом и матричным фотоприемным устройством, содержащим, например, 512×512 элементов А, =1, 2,…512, =1,2,…512, и с блоком микроэлектроники. С датчика изображения 1 полный телевизионный сигнал одновременно поступает в аналого-цифровой преобразователь 4 и схему 7 синхронизации чтения-записи.

В аналого-цифровом преобразователе 4 видеосигнал преобразуется в цифровую форму, а в схеме синхронизации чтения-записи 7 с помощью узкополосного фильтра из полного телевизионного сигнала выделяются синхроимпульсы. Эти синхроимпульсы, поступая в блоки 4, 5, 6, устанавливают точную связь между адресами {,} элементов А фоточувствительной матрицы датчика изображения 1 и адресами {k,l} ячеек памяти первого блока памяти 6 по строкам k и столбцам l.

Изображение, формируемое блоком обработки видеосигналов 3, в цифровом виде поступает на вход цифроаналогового преобразователя 18 и далее подается на видеоминитор 19. Оператор анализирует сцену на экране видеомонитора 19.

Система стабилизации платформы 10 воспринимает угловые колебания стабилизированной платформы 2 с помощью датчика угловой скорости (ДУС) 11, установленного на стабилизированной платформе 2 так, что его ось чувствительности параллельна визирной оси X. Сигнал _x с выхода датчика угловой скорости 11 подается на первый вход дифференциального усилителя 12. На второй вход дифференциального усилителя подается сигнал обратной связи , пропорциональный разности между заданным ⁰ _x и установившимся _х углом разворота стабилизированной платформы 2. Выходной сигнал дифференциального усилителя 12 усиливается в усилителе мощности 13 и поступает (с обратным знаком) на двигатель 14, чем создается момент М_д=-М_возм, парирующий воздействие колебаний подвижного основания относительно визирной оси Х на стабилизированную платформу 2. Такая «слабая» обратная связь позволяет устранить накопление погрешностей ДУСа 11 и привода подвижного основания стабилизированной платформы 2.

Таким образом, двигатель 14, охваченный обратной связью по сигналу _х с датчика угловой скорости 11, является исполнительным устройством, которое вместе с датчиком изображения 1, установленным на стабилизированной платформе 2, и трактом обработки видеосигнала образуют телевизионную стабилизированную визирную систему с парированием разворотов изображения вокруг визирной оси X.

Для того чтобы уменьшить влияние ошибок стабилизации на качество “картинки”, при обработке сигнала в первом цифровом фильтре 5 перед суммированием в этом блоке текущего изображения j-го кадра, поступающего с датчика изображения 1, с накопленной суммой j-1 кадров, хранящейся в первом блоке памяти 6, осуществляется смещение отсчетов элементов разрешения (дискретизации) изображения j-го кадра на величины ⁱ , зависящие от расстояния (,) элемента А относительно центра растра и угла поворота ⁱ _x изображения в текущем j-м кадре по отношению к первому кадру, который непосредственно записывается с датчика изображения 1 в первом блок памяти 6 в начальный момент времени как первый член суммы i кадров синтезированного изображения. Здесь и далее предполагается, что визирная ось проходит через центр растра.

Преобразование отсчетов , поступающих с аналого-цифрового преобразователя 4, осуществляется в первом цифровом фильтре 5, включая суммирование с отчетами синтезированного изображения, хранимого в блоке 6 в ячейках памяти . Управление преобразованием производится по данным блока адресации 8, в котором определяется, на сколько элементов синтезированного изображения по строкам и по столбцам должен быть смещен отсчет изображения текущего i-го кадра, чтобы оно с наименьшими искажениями совпало с изображением, уже накопленным по предыдущим кадрам. Для этого угловая скорость ошибки стабилизации _х интегрируется в фильтре 15, и полученный сигнал _х, пропорциональный ошибке стабилизации, с выхода интегрирующего фильтра 15 подается в блок 8. В блоке 8 в зависимости от положения элемента А изображения в текущем j-м кадре по отношению к первому кадру определяются координаты тех элементов a_kl синтезированного (накопленного) изображения, на которые проектируется упомянутый элемент А текущего i-го кадра.

Суммирование в первом цифровом фильтре 5 отсчетов с отчетами синтезированного изображения производится с весовыми коэффициентами , которые пропорциональны площадям проекций элементов а_kl в плоскости предметов на элемент этого кадра. Весовые коэффициенты определяются в блоке 9 для тех элементов а_kl, координаты {k,l} которых определены в схеме синхронизации записи-чтения 7, исходя из геометрических соображений в зависимости от расстояния (,) элемента А от центра растра и угла поворота ⁱ _х изображения i-го кадра по отношению к синтезируемому изображению.

Результат суммирования текущего изображения с ранее накопленным изображением (отчеты ), хранится до следующего кадра в первом блоке памяти 6 в ячейках , считывается цифроаналоговым преобразователем 18 для предъявления оператору стабилизированного изображения.

Таким образом, компенсация поворота изображения из-за ошибок стабилизации ⁱ _х по всем элементам текущего i-го кадра при суммировании его отсчетов (с определенными весами) с накопленной суммой изображений предыдущих кадров дает устойчивое изображение сцены с увеличенным отношением сигнал/шум, которое хорошо воспринимается оператором.

Условия обнаружения в системе могут быть улучшены путем повышения ее углового разрешения, определяемого угловыми размерами фоточувствительных элементов, а при определенных размерах кадра – угловым размером его дискрета А.

Для повышения углового разрешения системы первый блок памяти 6 выполнен с числом ячеек памяти в несколько раз, например, вдвое превышающим число элементов разрешения датчика изображения 1 как строкам, так и по столбцам. В этом случае элемент пространственного разрешения первого блока памяти 6 будет по угловым размерам вдвое, а по площади вчетверо меньше углового размера фоточувствительного элемента датчика изображения 1.

При суммировании отсчет по каждому элементу текущего i-го кадра исходного изображения, например, по элементу (фиг.2), в блоке 5 суммируется с отсчетами ячеек памяти соответствующих тем элементам разрешения а_kl синтезированного изображения, на которые проецируется в пространстве предметов элемент текущего кадра исходного изображения. Положение элемента в синтезированном изображении определяется величиной ⁱ _х угла поворота текущего i-го кадра и его координатами {,} в растре. В следующем (i+1)-м кадре ввиду случайного характера изменения величины ⁱ _х отсчет этого же элемента будет распределяться по другим элементам a_kl суммарного изображения.

Суммирование отсчетов отсчетами элементов а_kl синтезируемого изображения производится с весами , пропорциональными площадям проекций элемента в плоскости предметов на элементы а_kl синтезируемого изображения, т.е.

причем сумма (,) равна площади элемента А. Например, для элемента а₁₁ на Фиг.2 имеем , для элемента a₂₂ имеем Вычисление весовых коэффициентов производится в блоке 9.

Отсчет определяется по итерационной формуле

где Fⁱ и Gⁱ – коэффициенты, определяющие динамику формирования синтезируемого изображения, а индексы и соответствуют тем элементам повернутого изображения, которые проецируются на элемент а_kl синтезируемого изображения. Вышеуказанная формула характеризует операции, производимые в первом цифровом фильтре 5.

Для преобразования масштаба синтезированного изображения к исходному при представлении его оператору на экране монитора 19 в систему следует дополнительно ввести второй цифровой фильтр 16, аналогичный первому цифровому фильтру 5 без накопления сигнала, в котором весовые коэффициенты пропорциональны площадям проекций элемента разрешения видеомонитора в плоскости предметов на элементы а_kl синтезируемого изображения. Эти коэффициенты не зависят от разворота изображения и целиком определяются желаемым масштабом представления изображения на экране видеомонитора 19. Преобразованное во втором цифровом фильтре 16 к нужному масштабу изображение хранится во втором блоке памяти 17 и считывается цифроаналоговым преобразователем 18 при выводе его на видеомонитор 19.

При необходимости, когда объем второго блока памяти 17 ограничен и хранящееся в нем синтезированное изображение отображает только часть (например, центральную) исходного изображения, регистрируемого датчиком изображения 1, синтезированное изображение с помощью второго цифрового фильтра 16 перед записью его во второй блок памяти 17 микшируют (например, по периферии) с исходным изображением.

Дисперсия шумов дискретизации пропорциональна квадрату элемента разрешения. Поэтому применение первого блока памяти 6 увеличенного объема и смещение при суммировании текущего кадра датчика изображения с меньшей дискретностью, чем дискретность изображения телевизионного кадра, позволяет улучшить отношение сигнал/шум не только за счет накопления полезного сигнала, но и за счет уменьшения уровня шумов дискретизации.

Наибольшая эффективность предложенного устройства достигается при применении матричных фотоприемных устройств с кадровой частотой, увеличенной до нескольких килогерц по сравнению со стандартной частотой f=25 Гц, в которых межкадровое суммирование в трактах обработки является необходимым условием достижения требуемых обнаружительных характеристик.

При подключении выхода схемы синхронизации чтения-записи 7 к входу интегрирующего фильтра 15 обеспечивается гибкое управление его работой в зависимости от временного интервала t, на котором производится суммирование изображения в текущем кадре с ранее накопленным. Этот временной интервал t определяется стабильностью сцены и ее изображения, то есть скоростями перемещения в пространстве объекта и подвижного основания, а также спектром ошибок стабилизации.

Передаточная функция W(p) интегрирующего фильтра имеет вид

где р – оператор Лапласа, Т_фt.

При этом в момент записи изображения первого кадра в блок 6 по сигналу с блока 7 в блоке 15 устанавливаются нулевые начальные условия, и тогда _х=0. Оптимизация выбора величины Т_ф производится с учетом того, что с уменьшением величины Т_ф в формировании сигнала _ст превалирующее значение имеют высокочастотные составляющие сигнала _ст, а при увеличении Т_ф может происходить накопление ошибок интегрирования, что приводит к нежелательному постепенному повороту изображения на видеомониторе 19.

В качестве исполнительного устройства используется интегрирующий привод, расположенный на стабилизированной платформе, который вместе с трактом обработки видеосигнала образует телевизионную визирную систему.

Конкретные технические реализации датчиков изображения, выполненных на основе приборов с зарядовой связью, и ссылки на зарубежные патенты приведены в книге Г.П.Катыса, Восприятие и анализ оптической информации автоматической системой. – М.: Машиностроение, 1990, с.98-104.

Цифровые двумерные фильтры и блоки памяти могут быть выполнены, например, на базе быстродействующих процессоров.

Обратная связь по скорости обеспечивается контуром датчика угловой скорости, включающим дифференциальный усилитель 13, усилитель мощности 13, двигатель 14, интегрирующий привод гиростабилизированной платформы 2 и датчик угловой скорости 11.

Функции дифференциальных усилителей могут выполнять операционные усилители, схемы которых описаны в книге У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника. – М.: Мир, 1982.

Формула изобретения

1. Система визирования объекта, содержащая датчик изображения, размещенный на стабилизированной платформе, установленной на подвижном основании, блок обработки видеосигнала, включающий аналого-цифровой преобразователь и первый блок памяти, соединенные со схемой синхронизации чтения-записи, систему стабилизации платформы, включающую датчик угловой скорости платформы, дифференциальный усилитель, усилитель мощности и двигатель привода стабилизированной платформы, отличающаяся тем, что в нее введены первый цифровой фильтр, расположенный между аналого-цифровым преобразователем и первым блоком памяти, блок адресации, выполненный с возможностью обеспечения в первом цифровом фильтре смещения сигналов датчика изображения, блок весовых коэффициентов, интегрирующий фильтр, вход которого подключен к выходу дифференциального усилителя, а выход – к блоку адресации и первому входу блока весовых коэффициентов, второй вход блока весовых коэффициентов подключен к первому выходу блока адресации, первый вход первого цифрового фильтра подключен к выходу схемы синхронизации чтения-записи, второй вход подключен ко второму выходу блока адресации, а третий вход – к выходу блока весовых коэффициентов.

2. Система визирования объекта по п.1, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены второй цифровой фильтр, первый вход которого подключен к выходу блока адресации, второй – к выходу схемы синхронизации чтения-записи, а третий – к выходу первого блока памяти, второй блок памяти, один вход которого подключен к схеме синхронизации чтения-записи, а другой – ко второму цифровому фильтру, и цифроаналоговый преобразователь, один вход которого подключен ко второму блоку памяти, а другой – к схеме синхронизации чтения-записи, при этом первый блок памяти выполнен с числом ячеек, превышающим число элементов разрешения датчика изображения.

РИСУНКИ