СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G06T7/60 G01C21/24 

Изобретение относится к замкнутым телевизионным системам H04N 7/18 и может быть использовано в автоматике и измерительной технике, в контрольно-измерительных устройствах, в которых в качестве информационного сигнала используется телевизионное изображение, полученное на матричном ПЗС датчике. Оно может быть использовано также в области навигации, в том числе в приборах для космической навигации G01C 21/24, в устройствах позиционирования, в системах управления космического аппарата в качестве датчика ориентации, где используют оптико-электронные приборы ориентации по звездам, содержащие матричный фотоприемник с накоплением заряда. В ряде случаев во многих этих применениях важно знать положение центра объекта наблюдения, определяемого как центр тяжести его телевизионного изображения.

Известен способ определения координат центра формы плоских неподвижных объектов в декартовой системе координат методом уравновешивания площадей [1, с.93-97], заключающийся в том, что изображение объекта проецируют на матрицу фотоприемников, последовательно опрашивают ячейки фотоприемной матрицы и находят абсциссу Х₁=l центра формы из условия

$$\left({\displaystyle {\sum }_{j=1}^l\Vert h^{\left(j\right)}\Vert }-{\displaystyle {\sum }_{j=l+1}^n\Vert h^{\left(j\right)}\Vert }\right)\left({\displaystyle {\sum }_{j=1}^{l+1}\Vert h^{\left(j\right)}\Vert }-{\displaystyle {\sum }_{j=l+2}^n\Vert h^{\left(j\right)}\Vert }\right)\le \mathrm{0,}l=\mathrm{1,2}\dots ,n\left(1\right)$$

и координату Y_c=k из условия

$$\left({\displaystyle {\sum }_{\text{i}=\text{1}}^{\text{k}}\Vert {\text{h}}^{\left(\text{i}\right)}\Vert }-{\displaystyle {\sum }_{\text{i}=\text{k}+\text{1}}^{\text{n}}\Vert {\text{h}}^{\left(\text{i}\right)}\Vert }\right)\left({\displaystyle {\sum }_{\text{i}=\text{1}}^{\text{k}+\text{1}}\Vert {\text{h}}^{\left(\text{i}\right)}\Vert }-{\displaystyle {\sum }_{\text{i}=\text{k}+\text{2}}^{\text{n}}\Vert {\text{h}}^{\left(\text{i}\right)}\Vert }\right)\le \text{0}\text{,}\text{k}=\text{1}\text{,2}\dots \text{,n}\text{,}\left(\text{2}\right)$$

где $$\Vert h\Vert$$ - норма матрицы (строки, столбца), i - номер строки; j - номер столбца; n - размер матрицы; так, чтобы площади фигуры, лежащие по обе стороны от прямой Х_С=l и прямой Y_С=k, были равны с заданной точностью.

Недостатками этого способа являются:

- неоднозначность определения центра формы изображения, поскольку его положение зависит от порядка перебора возможных значений l и k, а также от ориентации изображения относительно осей;

- для нахождения центра формы путем перебора значений l и k требуется большой объем вычислений и длительное время;

- низкая точность определения координат, обусловленная бинарным представлением изображения объекта и отсутствием учета погрешностей преобразования изображения объекта в матричном фотоприемнике.

Известен способ выделения центра изображения объекта излучения и устройство для его осуществления [2]. Сущность способа заключается в том, что поток электромагнитного излучения от объекта пропускают через оптическую систему, направляют в фотоприемный блок на основе прибора с зарядовой связью, где его преобразовывают в матрицу бинарных электрических зарядов, которую вначале пропускают через один нейроускоритель, формируя потенциал смещения, обеспечивающий выделение на выходе нейроускорителя элементов матрицы выпуклого изображения, центр которого совпадает с искомым центром анализируемого изображения. В дальнейшем выделенную матрицу преобразовывают в другом нейроускорителе, формируя потенциал смещения таким образом, что за несколько тактов получают матрицу бинарных электрических зарядов, в которой единичные заряды соответствуют центру анализируемого изображения. Указанный способ имеет следующие недостатки:

- вследствие рекурсивного характера центрирования изображения увеличивается время, необходимое для нахождения центра изображения;

- низкая точность определения координат, обусловленная преобразованием изображения, формируемого на ПЗС, в матрицу бинарных электрических зарядов и отсутствием учета погрешностей преобразования изображения объекта в матричном фотоприемнике;

- сложность аппаратурной реализации.

Наиболее близким к изобретению является способ определения координат центра тяжести изображения [3]. Указанный способ заключается в проецировании объекта на фотоприемную матрицу, с помощью которой преобразуют совокупность оптических сигналов, полученных в результате пространственной дискретизации изображения на элементах ПЗС матрицы фотоприемника в совокупность электрических сигналов Е₀(m,n), где m=1÷M, а n=1÷N. Здесь М и N - число элементов разложения по ортогональным осям матрицы (число элементов ПЗС матрицы); с амплитудой, пропорциональной интенсивности соответствующих оптических сигналов, определении статических моментов инерции изображения относительно осей выбранной системы координат путем формирования из полученных электрических сигналов двух групп новых совокупностей сигналов

$$\left\{E_1^x\left(m,n\right),\dots ,E_i^x\left(m,n\right),\dots ,E_{\lceil {\log }_{2}M\rceil }^x\left(m,n\right)\right\},\left(3\right)$$

$$\left\{E_1^y\left(m,n\right),\dots ,E_j^y\left(m,n\right),\dots ,E_{\lceil {\log }_{2}N\rceil }^y\left(m,n\right)\right\}\left(4\right)$$

по правилу

$$E_i^x\left(m,n\right)=\{\begin{array}{c}{E}_0\left(m,n\right),если\lfloor \frac{m}{2^{i-1}}\rfloor -нечетное\\ \mathrm{0,}если\lfloor \frac{m}{2^{i-1}}\rfloor -четное\end{array}\left(5\right)$$

$$E_j^y\left(m,n\right)=\{\begin{array}{c}{E}_0\left(m,n\right),если\lfloor \frac{n}{2^{j-1}}\rfloor -нечетное\\ \mathrm{0,}если\lfloor \frac{n}{2^{j-1}}\rfloor -четное\end{array}\left(6\right)$$

здесь $$\lceil a\rceil$$ означает округление числа а до ближайшего целого в большую сторону, a $$\lfloor a\rfloor$$ - округление числа а до ближайшего целого в меньшую сторону,

одновременно формируют две группы интегральных сигналов

$$\left\{S_1^x,\dots ,S_i^x,\dots ,S_{\lceil {\log }_{2}M\rceil }^x\right\}$$ и $$\left\{S_1^y,\dots ,S_i^y,\dots ,S_{\lceil {\log }_{2}N\rceil }^y\right\}$$ и вспомогательный интегральный сигнал S_o, соответствующий интегральной интенсивности изображения объекта, путем интегрирования (накапливания, суммирования) всех сигналов $$E_i^x\left(m,n\right)$$ , $$E_j^y\left(m,n\right)$$ , Е(m,n) соответствующих совокупностей по правилу

$$S_i^x={\displaystyle {\sum }_{m=1}^M{\displaystyle {\sum }_{n=1}^N{E}_i^x\left(m,n\right),\left(7\right)}}$$ ;

$$S_j^y={\displaystyle {\sum }_{m=1}^M{\displaystyle {\sum }_{n=1}^N{E}_j^y\left(m,n\right),\left(8\right)}}$$ ;

$$S_0={\displaystyle {\sum }_{m=1}^M{\displaystyle {\sum }_{n=1}^{N}E\left(m,n\right),\left(9\right)}}$$ .

Координату центра тяжести изображения определяют по формулам

$$X_C=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{{\log }_{2}M}{s}_i^x{2}^{i-1}}}{S_0},\left(10\right)$$

$$y_C=\frac{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^{{\log }_{2}N}{s}_j^y{2}^{j-1}}}{S_0}.\left(11\right)$$

для чего известными методами суммируют с учетом весовых коэффициентов интегральные сигналы и производят деление на вспомогательный интегральный сигнал.

Основным недостатком этого способа являются низкая точность определения координат, обусловленная отсутствием учета погрешностей преобразования изображения объекта в матричном фотоприемнике ПЗС.

Хорошо известно [4, с.74], что матричные фотоприемники на основе ПЗС не обладают одинаковой чувствительностью по элементам матрицы. Это приводит к искажению уровней сигнала изображения по элементам матричного фотоприемника. Факторами, ограничивающими чувствительность ячеек ПЗС, являются темновой ток и тепловой шум, являющиеся следствием термоэлектронной эмиссии и так называемых шумов считывания. Первый возникает в ПЗС-элементе при подаче потенциала на электрод, под которым формируется потенциальная яма при полном отсутствии светового потока. Если световой поток слаб, то величина фототока близка, а порой и меньше, чем величина темнового тока. Количество возникших термоэлектронов зависит от двух основных параметров: продолжительности экспозиции и температуры матрицы. При комнатной температуре у большинства ПЗС пикселы полностью заполняются теплоэлектронами уже за несколько секунд, даже при отсутствии засветки. Тепловой шум возникает даже при отсутствии потенциала на электродах одним лишь хаотичным движением электронов по ПЗС-элементу. Практически в каждом ПЗС-элементе уровни темнового тока и теплового шума не такие, как в соседних пикселах. Поэтому степень искажения фототоков паразитными зарядами распределена по матрице хаотическим образом. Выдержки большой длительности ведут к постепенному накапливанию блуждающих электронов в потенциальных ямах и увеличению тепловых шумов в ячейках. Наиболее заметные из них называют «горячими пикселами». Охлаждение матрицы - один из эффективных способов уменьшить темновой ток и тепловые шумы, но не избавиться от них полностью. Практика обработки изображений заключается в получении темнового фрагмента (при закрытом объективе) с такой же длительностью и температурой, с какими будет производиться съемка объекта. Тогда при обработке результата компьютер сможет вычесть этот шум из полученного изображения. Высокая точность воспроизведения параметров съемки зачастую позволяет использовать однажды полученный темновой фрагмент многократно, потому что скорость рождения термоэлектронов в каждом пикселе определяется технологией его изготовления и должна с хорошей степенью точности воспроизводиться при одинаковой температуре и одинаковой продолжительности экспозиции.

Помимо шумов на результирующее изображение оказывают влияние локальные технологические неоднородности, возникающие при производстве матриц [4, с.82]. На практике локальные технологические неоднородности выправляют с помощью техники флэт-поля. Идея состоит в том, чтобы в рабочей комбинации матрица + объектив получить снимок равномерного серого поля (это может быть просто лист белой бумаги, освещенный рассеяным светом, или участок белесого сумеречного неба без звезд). В дальнейшем компьютер сможет учесть возникшие перепады яркости по поверхности кадра и подкорректировать конечный снимок. Значительным преимуществом использования такой техники съемки является возможность учесть не только технологические, но и ложные фотометрические неоднородности изображения, вносимые самой оптической системой объектива.

Потери электронов, составляющих фототок, происходят не только в процессе накопления заряда, но и при его транспортировке к выходу матрицы [4, с.81]. Потери эти вызваны дрейфом электронов, «оторвавшихся» от основного заряда при его перетекании под следующий электрод переноса. Чем меньше количество «оторвавшихся» электронов, тем выше эффективность переноса заряда. Данный параметр измеряется в процентах и показывает долю заряда, сохранившуюся при «переправе» между ПЗС-элементами. Потери заряда в процессе считывания являются источником нелинейности передаточных характеристик ПЗС и обусловлены последовательным характером считывания заряда с матрицы, осуществляемого параллельно от строки к строке. При этом первая строка сначала переписывается в буферный регистр, а затем считывается последовательно из буферного регистра на выход матрицы. При этом основная потеря заряда происходит именно при параллельной передаче от строки к строке. Очевидно, что эти потери тем больше, чем удаленнее считываемая строка от буферного регистра и чем выше уровень передаваемого заряда, что и свидетельствует о нелинейности передачи изображения по ячейкам матрицы.

Влияние эффективности переноса заряда по строкам ПЗС матрицы можно продемонстрировать на следующем примере. Если для матрицы 1024 Х 1024 величина данного параметра составит 99,9%, то чтобы определить значение фототока пикселей крайней строки на выходе матрицы, необходимо К=0,999 (коэффициент, определяющий часть объема переносимого заряда от строки к строке) возвести в степень 1024 (количество «переправ» между строками) и умножить на 100 (проценты). Результат совершенно неудовлетворительный - от исходного заряда останется 36%. Очевидно, что при росте разрешения требования к эффективности переноса становятся еще более жесткими. Кроме того, падает скорость считывания кадра, потому что наращивание скорости переноса (для компенсации увеличившегося разрешения) ведет к неприемлемому росту числа «оторвавшихся» электронов.

Суммируя вышесказанное, можно утверждать, что дискретизированные значения сигналов изображения объекта Е₀(m,n), используемые в прототипе для определения центра тяжести изображения, не отражают истинного значения яркости изображения, а следовательно, их использование для определения центра изображения по распределению его яркости на поверхности ПЗС матрицы через расчет центра тяжести этого распределения будет иметь погрешности тем большие, чем выше искажения этого распределения.

Таким образом полученные с помощью способов, описанных в аналогах и прототипе, значения центра тяжести изображения не будут соответствовать его истинному значению и имеют погрешности как вследствие неучета распределения яркости по поверхности ПЗС матрицы, как это имеет место в аналогах, так и вследствие воздействия шумов (аддитивная составляющая), технологической неоднородности матрицы (мультипликативная составляющая) и неэффективного переноса заряда (нелинейная составляющая), сказывающихся на точности измерений как в аналогах, так и в прототипе.

Целью изобретения является повышение точности измерения положения центра тяжести изображения, полученного фотоприемной матрицей на основе ПЗС.

Указанная цель достигается тем, что изображение объекта проецируется на фотоприемную матрицу ПЗС, с помощью которой совокупность оптических сигналов преобразуется в дискретную по пространству совокупность электрических сигналов, с амплитудой, пропорциональной интенсивности сигнала изображения в соответствующем элементе пространственного разрешения, полученный аналоговый сигнал преобразуется в совокупность дискретизированных электрических сигналов Е₀(m,n), где m=1÷М, а n=1÷N. Здесь М и N - число элементов разложения по ортогональным осям матрицы (М и N - число элементов ПЗС матрицы), из каждого значения Е₀(m,n) вычитается поправка, соответствующая аддитивной составляющей искажений изображения Е_Т(m,n) и результат корректируется обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений (коэффициент A(m,n)) по правилу:

$$E\left(m,n\right)=A\left(m,n\right)\left[E_0\left(m,n\right)-E_T\left(m,n\right)\right].\left(12\right)$$

Далее формируются 1+[log₂N] групп строчных интегральных сигналов, соответствующие строчному накоплению сигнала изображения по правилу

$$S_m^0={\displaystyle {\sum }_{n=1}^{N}E\left(m,n\right),m=\mathrm{1,2,}\dots ,M\left(13\right)}$$

$$S_m^j={\displaystyle \sum {}_{n\in \left\{\left[\mathrm{1,}N\right]\cap \left(\lfloor \frac{n}{2^{j-1}}\rfloor -нечетные\right)\right\}}}E\left(m,n\right),m=\mathrm{1,2,}\dots ,M,j=\mathrm{1,2,}\dots ,\lceil {\log }_{2}N\rceil .\left(14\right)$$

Здесь и далее $$\lceil a\rceil$$ означает округление числа а до ближайшего целого в большую сторону, a $$\lfloor a\rfloor$$ - округление числа а до ближайшего целого в меньшую сторону.

Затем формируется набор взвешенных строчных интегральных сигналов по правилу:

$$S_{wm}^k=W_m{S}_m^k,k=\mathrm{0,1,2,}\dots ,\lceil {\log }_{2}N\rceil .\left(15\right)$$

Веса W_m определяются исходя из известных для данной матрицы ПЗС коэффициентов эффективности передачи заряда от строки к строке К в соответствии с правилом

$$W_m=K^{-m}.\left(16\right)$$

Из набора взвешенных строчных интегральных сигналов формируется полный интегральный сигнал S_o, соответствующий интегральной интенсивности изображения объекта, x-группу вспомогательных откорректированных интегральных сигналов $$\left\{S_1^x,\dots ,S_i^x,\dots ,S_{\lceil {\log }_{2}M\rceil }^x\right\}$$ и y-группу вспомогательных откорректированных интегральных сигналов $$\left\{S_1^y,\dots ,S_i^y,\dots ,S_{\lceil {\log }_{2}N\rceil }^y\right\}$$ по правилу:

$$S_0={\displaystyle {\sum }_{m=1}^M{S}_m^0,\left(17\right)}$$

$$S_j^y={\displaystyle {\sum }_{m=1}^M{S}_m^j,j=\mathrm{1,2,}\dots ,\lceil {\log }_{2}N\rceil }\left(18\right)$$

$$S_i^x={\displaystyle \sum {}_{m\in \left\{\left[\mathrm{1,}M\right]\cap \left(\lfloor \frac{m}{2^{i-1}}\rfloor -нечетные\right)\right\}}}{S}_m^0,i=\mathrm{1,2,}\dots ,\lceil {\log }_{2}M\rceil \left(19\right)$$

По полному интегральному сигналу и двум группам вспомогательных интегральных сигналов определяются истинные координаты центра тяжести изображения по правилу:

$$X_C=\frac{{\displaystyle {\sum }_{i=1}^{\lceil {\log }_{2}M\rceil }{s}_i^x{2}^{i-1}}}{S_0},\left(20\right)$$

$$y_C=\frac{{\displaystyle {\sum }_{j=1}^{\lceil {\log }_{2}N\rceil }{s}_j^y{2}^{j-1}}}{S_0},\left(21\right)$$

для чего известными методами суммируют с учетом весовых коэффициентов вспомогательные интегральные сигналы и производят деление на полный интегральный сигнал.

Проведем сравнение предлагаемого способа определения координат центра тяжести изображения и определяемого прототипом. Для этого воспользуемся примером изображения N×M=9 элементам разложения, приведенного в прототипе, введя в него искажения, характерные для реальной ПЗС матрицы. На фиг.1 приведен вариант исходного цифрового изображения для определения центра тяжести. Здесь цифры внутри клеток соответствуют коду яркости светового пятна, т.е. амплитуде электрического сигнала Е₀(m,n). В позиции (1, 2) виден «горячий пиксел» E₀(1, 2)=27. Будем считать, что величина коэффициента переноса заряда от строки к строке К=0,99. Для упрощения расчетов остальные шумовые характеристики в изображение не вводились.

По известному способу координаты Хц.т и Уц.т центра тяжести изображения любого объекта вычисляются путем деления соответствующих моментов инерции по оси ОХ и OY "массу" изображения. Определим истинный центр изображения без учета искажений. При этом естественно не учитываем «горячий пиксел» E₀(1, 2) и нелинейность коэффициента передачи ПЗС матрицы. Обозначим статические моменты инерции по оси ОХ через М_x и по оси OY через M_y. Интегральная яркость изображения составит S₀=1+3+7+9+10+10+2+4+5+8+11+5+17+14+13+6+3+64+3+ 1+6+1++2+1+2+8+7+9=232

M_x=(1+3+7+9+10+10)×3+(2+4+5+8++11+5)×4+(17+14+13+6)×5+(3+64+3++1)×6+(6+1+2+1)×7+(9+7+8+9)×8=1214

M_y=(1+2)×3+(3+14)×4+(7+5+17+3+6++9)×5+(9+8+14+64+1+7)×6+(10+11+13+3+2+8)×7+(10+5+6+1+1+2)×8=1419

$$X_{ЦТ}=\frac{M_x}{S_0}=\frac{1214}{232}=\mathrm{5,232759}$$

$$Y_{ЦТ}=\frac{M_y}{S_0}=\frac{1419}{232}=\mathrm{6,116379}$$

Применительно к прототипу, учитывая наличие «горячего» пикселя Е₀(1, 2)=27 и нелинейных искажений сигнала при его считывании с ПЗС матрицы с коэффициентом эффективности переноса заряда по строкам К=0,99, получим, что интегральные сигналы первой группы равны

$$\begin{array}{l}{S}_x^1=1*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^3+3*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^4+\left(7+17+6\right)*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^5+\left(9+14+1\right)*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^6+\left(10+13+2\right)*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^7+\\ \left(10+6+1\right)*{\left(\mathrm{0,99}\right)}^8=\mathrm{93,9651}\end{array}$$

Аналогично $$S_x^2=\mathrm{140,5214}$$ ; $$S_x^3=\mathrm{156,198}$$ ; $$S_x^4=\mathrm{24,45128}$$ . Интегральные сигналы для второй группы равны: $$S_y^1=\mathrm{118,1445}$$ ; $$S_y^2=\mathrm{143,6904}$$ ; $$S_y^3=\mathrm{192,2002}$$ ; $$S_y^4=\mathrm{23,06862}$$ .

Интегральная яркость изображения с учетом искажений составит S₀=244,9097. Тогда в соответствии с (10) и (11) координаты центра тяжести изображения будут равны: Х_ЦТ=4,881026; Y_ЦТ=5,548473, что существенно отличается от истинных значений центра тяжести, полученных выше.

Расчеты, проведенные по формулам (12) - (21), приводят к следующим результатам: Х_ЦТ=5,232759; Y_ЦТ=6,116379, что соответствует истинному центру тяжести. Таким образом предлагаемый способ определения центра тяжести не приводит к отклонению его значения от истинного значения, что свидетельствует о повышении точности определения центра тяжести изображения.

Рассматриваемый способ предполагает выполнение необходимых операций следующим образом. Изображение объекта проецируется на телевизионную камеру на базе ПЗС матрицы. В камере происходит преобразование оптического сигнала в совокупности электрических сигналов и полученный видеосигнал поступает на параллельный быстродействующий аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для дискретизации. На выходе АЦП из последовательности сигналов вычитается поправка, соответствующая аддитивной составляющей искажений изображения, и результат корректируется обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений (12). Значения аддитивной и мультипликативной поправок заранее записываются в память и соответствуют как времени экспозиции, так и техническим особенностям конкретной ПЗС матрицы. Далее, используя управляемый по жесткой программе коммутатор столбцов, откорректированные значения сигналов подают на группу строчных накапливающих сумматоров, где формируются группы строчных интегральных сигналов, соответствующие строчному накоплению сигнала изображения (13), (14). Результат накопления по каждой строке изображения умножается на заранее рассчитанные (16) для этой строки и хранящиеся в памяти коэффициенты, учитывающие нелинейные искажения по матрице ПЗС исходя из заданного коэффициента эффективности передачи заряда от строки к строке, то есть формируется набор взвешенных строчных интегральных сигналов (15). Строчные интегральные сигналы, соответствующие полному интегральному сигналу кадра изображения, подаются на управляемый по жесткой программе коммутатор строк, выходы которого обеспечивают формирование в кадровых накапливающих сумматорах полного интегрального сигнала (17), соответствующего откорректированной интегральной интенсивности изображения, и х-группы вспомогательных откорректированных интегральных сигналов (19). Y-группа вспомогательных откорректированных интегральных сигналов образуется в кадровых накапливающих сумматорах, подключенных к каналам остальных строчных интегральных сигналов (18). По полному интегральному сигналу и двум группам вспомогательных интегральных сигналов в вычислителе координат определяются истинные координату центра тяжести изображения, для чего известными методами суммируют с учетом весовых коэффициентов вспомогательные интегральные сигналы и производят деление на полный интегральный сигнал.

На фиг.2 приведен пример структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ для случая 9 строк и 9 столбцов изображения, где цифрами обозначены: 1 - телевизионная камера на базе ПЗС; 2 - быстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь; 3 - цифровой сумматор; 4, 7 и 8 - полупостоянные запоминающие устройства ППЗУ1, ППЗУ2, ППЗУ3; 5 - блок управления; 6, 11-1, 11-2, …, 11-5 - цифровые умножители; 9 - строчный коммутатор; 10-1, …, 10-5 - строчные накапливающие сумматоры; 12 - кадровый коммутатор; 13-1, …, 13-9 - кадровые накапливающие сумматоры; 14 - вычислитель координат центра тяжести изображения.

Устройство, реализующее способ, содержит телевизионную камеру на базе ПЗС матрицы (например, типа КТ-2-2) 1; быстродействующий параллельный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) (например, типа 1107ПВ1) 2; цифровой сумматор 3, который может быть реализован по схеме многоразрядного сумматора с параллельным переносом [5, с.127-130]; умножители 6 и 11-1, 11-2, …, 11-5, которые для повышения быстродействия могут быть реализованы на базе ПЗУ, например, К596РЕ1, в ячейках которой записана таблица умножении; строчные и кадровые накапливающие сумматоры 10-1, …, 10-5 и 13-1, …, 13-9 соответственно, которые могут быть реализованы, например, по схеме [6, с.114, рис. 5.59]; строчный 9 и кадровый 12 коммутаторы, работающие по жесткой программе и реализующие функцию передачи входного цифрового отсчета в соответствии с алгоритмами формирования строчных интегральных сигналов (13), (14) и х-группы вспомогательных откорректированных интегральных сигналов (19). Коммутаторы могут быть реализованы на базе программируемых логических матриц [7, с.56-72]. В устройство включены три полупостоянных запоминающих устройства 4 (ППЗУ1), 7 (ППЗУ2), 8 (ППЗУ3), в которые записана информация о поправках, соответствующих аддитивной Е_T(m,n) составляющей искажений изображения (ППЗУ1), мультипликативной А(m,n) (ППЗУ2) и нелинейной W_m (ППЗУ3) составляющих искажений. Выходы накапливающих сумматоров 13 подаются на входы вычислителя координат центра тяжести изображения 14. Вычислитель координат центра тяжести изображения 14 может быть построен на базе микропроцессора и в этом случае включает шинный формирователь для объединения выходов накапливающих сумматоров и подачи их на общую шину микропроцессора и собственно сам микропроцессор, обеспечивающий расчет центра тяжести изображения в соответствии с выражением (21) и (22). Управление работой коммутаторов 9, 12, ППЗУ 4, 7, 8, накапливающих сумматоров 10-1, …, 10-5, 13-1, …, 13-9 и вычислителя координат центра тяжести изображения 14, а также общая синхронизация устройства осуществляется блоком управления 5.

Видеовыход телекамеры 1 соединен с входом АЦП 2, выход АЦП 2 соединен с первым входом цифрового сумматора 3, второй вход которого подключен к выходу ППЗУ1 4, выход цифрового сумматора 3 подключен к первому входу умножителя 6, второй вход которого соединен с выходом ППЗУ2 7, выход умножителя 6 подключен ко входу строчного коммутатора 9 каждый из пяти выходов которого подсоединен ко входу соответствующего строчного накапливающего сумматора 10-1, …, 10-5, причем пятый строчный накапливающий сумматор является полным, выход каждого строчного накапливающего сумматора 10-1, …, 10-5 подключен ко входу соответствующего умножителя 11-1, …, 11-5, вторые входы умножителей 11-1, …, 11-5 объединены и подключены к выходу ППЗУЗ 8, выходы умножителей 11-1, …, 11-4 подключены ко входам соответствующих кадровых накапливающих сумматоров 13-1, …, 13-4, а выход пятого полного строчного накапливающего сумматора соединен со входом кадрового коммутатора 12, каждый из пяти выходов кадрового коммутатора 12 подключен ко входу соответствующего ему накапливающего сумматора 13-5, …, 13-9, причем кадровый накапливающий сумматор 13-9 является полным, выходы всех кадровых накапливающих сумматоров 13-1, …, 13-9 подключены к соответствующему входу вычислителя координат центра тяжести изображения 14, первый и второй выход которого являются выходами устройства определения центра тяжести изображения. Выходы управления и синхронизации блока управления 5 подключены к соответствующим входам управления и синхронизации элементов устройства определения центра тяжести изображения.

Устройство работает следующим образом: задним фронтом кадрового синхроимпульса телекамеры происходит сброс накапливающих сумматоров 13 и счетчика блока управления 5. С началом кадра видеосигнал с телевизионной камеры 1 поступает на АЦП 2, где дискретно оцифровывается. Далее в цифровом сумматоре 3 из последовательности выходных сигналов АЦП 2 вычитается поправка, соответствующая аддитивной составляющей искажений изображения, записанная в ППЗУ1 4, и результат корректируется обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений путем умножения на соответствующий коэффициент снимаемый с ППЗУ2 7, в умножителе 6 в соответствии с выражением (12). Далее скорректированный сигнал подается на управляемый по жесткой программе строчный коммутатор 9, на первых четырех выходах которого образуется последовательность строчных сигналов, соответствующая алгоритму (14), а на последнем выходе образуется полная строчная последовательность, соответствующая выражению (13). Полученные сигналы подаются на соответствующие накапливающие сумматоры, в которых происходит накопление сигналов строк в соответствии с выражениями (14) и (13). Накапливающие сумматоры 10-1, …, 10-5 сбрасываются передним фронтом строчного синхроимпульса, что обеспечивается блоком управления 5. Результат накопления по каждой строке изображения умножается в умножителях 11-1, …, 11-5 на заранее рассчитанные для этой строки и хранящиеся в памяти ППЗУЗ 8 коэффициенты (16), учитывающие нелинейные искажения по матрице ПЗС исходя из заданного коэффициента эффективности передачи заряда от строки к строке, то есть на выходах умножителей 11-1, …, 11-5 формируется последовательность взвешенных строчных интегральных сигналов (15). Причем сигнал на выходе последнего умножителя 11-5 соответствует взвешенному полному сигналу строки. Сигналы с выходов первых четырех умножителей 11-1, …, 11-4, образующие y-группу взвешенных строчных интегральных сигналов, подаются на входы соответствующих кадровых накапливающих сумматоров 13-1, …, 13-4, на выходах которых образуется y-группа вспомогательных откорректированных интегральных сигналов $$S_j^y$$ в соответствии с (18). Полные взвешенные строчные интегральные сигналы с выхода умножителя 11-5 подаются сначала на управляемый по жесткой программе кадровый коммутатор 12, на первых четырех выходах которого образуется x-группа взвешенных строчных интегральных сигналов, которая подается на входы следующих кадровых накапливающих сумматоров 13-5, …, 13-8, на выходах которых образуется х-группа вспомогательных откорректированных интегральных сигналов $$S_j^x$$ в соответствии с (19). На последнем выходе кадрового коммутатора 12 формируется полный взвешенный строчный интегральный сигнал, который подается на кадровый накапливающий сумматор 13-9, на выходе которого формируется полный откорректированный интегральный сигнал S_o, соответствующий интегральной интенсивности изображения объекта. Кадровые накапливающие сумматоры 13-1, …, 13-9 сбрасываются задним фронтом кадрового синхроимпульса телекамеры, что обеспечивается блоком управления 5.

По полному откорректированный интегральный сигнал S_o и двум группам вспомогательных откорректированных интегральных сигналов $$S_j^x$$ и $$S_j^y$$ в вычислителе координат центра тяжести изображения 14 производится вычисление истинных координат центра тяжести изображения Х_С и Y_С, в соответствии с (20) и (21), которое занимает время обратного хода кадровой развертки. С началом следующего кадра весь цикл обработки повторяется. Разрядность комбинационных сумматоров и количество накапливающих сумматоров выбирается в зависимости от предполагаемого размера объекта и количества светочувствительных ячеек фотоприемной матрицы.

Докажем, что поставленная цель достигнута. Действительно, корректировка изображения путем вычитания аддитивной составляющей искажений, взвешивания отсчетов обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений и формирования взвешенных строчных интегральных сигналов с весами, обратно пропорциональными нелинейной составляющей искажений позволяет устранить влияние шумовых характеристик ПЗС матрицы, технологических погрешностей и нелинейности ее коэффициента передачи на точность вычисления статических моментов инерции изображения, определяющих его центр тяжести, а следовательно, повысить точность определения центра тяжести изображения.

Предлагаемый способ хорошо приспособлен к использованию параллельных вычислений, поскольку основной объем вычислений осуществляется независимо по строкам изображения и только на последнем этапе (20), (21) полученные результаты объединяются при вычислении центра тяжести изображения. По сравнению с прототипом применение предложенного метода, основанного на вычитании аддитивной составляющей искажений, взвешивании отсчетов обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений и формировании взвешенных строчных интегральных сигналов с весами, обратно пропорциональными нелинейной составляющей искажений и вспомогательных интегральных сигналов позволило отказаться от сложной процедуры формирования двух групп новых совокупностей сигналов изображения и двух групп интегральных сигналов, полученных по этим совокупностям, и обеспечить корректировку изображения, учитывающую все искажения кадра изображения в ПЗС. Группы новых совокупностей сигналов изображения и две группы интегральных сигналов, полученных по этим совокупностям, используемые в прототипе, содержат множество нулевых отсчетов и потому процедура их обработки содержит множество операций пересылки и сложения с заведомо нулевыми элементами, что неоправданно усложняет обработку этим способом. Использование двух групп взвешенных строчных интегральных сигналов и двух групп вспомогательных откорректированных интегральных сигналов в предлагаемом способе позволило устранить операции с нулевыми компонентами и таким образом уменьшить число операций, необходимых для формирования координат центра тяжести изображения, что позволяет сделать вывод о сокращении вычислительных и ресурсных затрат при реализации этого способа.

Такой способ получения и определения моментов изображения был ранее не известен, его новизна не следует явным образом из известного уровня техники и обеспечивает изобретательский уровень данного изобретения. Его применение позволяет повысить точность определения центра тяжести изображения и попутно сократить вычислительные и ресурсные затраты на его реализацию, а следовательно, используя параллельно конвейерный метод вычислений, сократить время определения координат центра тяжести, обеспечив их формирование в реальном масштабе времени чередования кадров изображений.

Промышленная применимость изобретения определяется возможностью реализации его узлов и блоков на современном уровне техники. Устройства определения центра тяжести на базе предлагаемого способа могут быть реализованы на элементной базе широкого применения. Вариант технической реализации устройства на конкретных элементах, выпускаемых промышленностью, приведен на примере реализации предлагаемого способа (фиг.2).

Таким образом, заявляемое изобретение является промышленно применимым. Оно может использоваться в контрольно-измерительной технике, в приборах для космической навигации, в устройствах позиционирования, в системах управления космического аппарата в качестве датчика ориентации, где в качестве источника информационного сигнала используются матричные фотоприемники с накоплением заряда. Оно обладает преимуществами перед известными, связанными с повышением точности измерений центра тяжести изображения и технической простотой реализации устройств на базе этого способа.

Литература

1. Зарубежная радиоэлектроника. - 1983 г., №11.

2. Патент РФ №2148248 на изобретение «Способ выделения центра изображения объекта излучения и устройство для его осуществления», опубл. 27.04.2000.

3. Патент РФ №2013029 на изобретение «Способ определения координат центра тяжести изображения». Опубл. 15.05.1994.

4. Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. - М.: Радио и связь, 1991. - 264 с.: ил.

5. Потемкин И.С. Функциональные узлы цифровой автоматики. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 320 с.: ил.

6. Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике, - справочник под ред. Б.Н. Файзулаева и Б.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1986.

7. Баранов С.И., Скляров В.А. Цифровые устройства на программируемых БИС с матричной структурой. - М.: Радио и связь, 1986. - 272 с.: ил.

Изобретение относится к замкнутым телевизионным системам и может быть использовано в контрольно-измерительной технике, в приборах для космической навигации, в устройствах позиционирования, в системах управления космического аппарата в качестве датчика ориентации, где в качестве источника информационного сигнала используются матричные фотоприемники с накоплением заряда. Технический результат - повышение точности измерения положения центра тяжести изображения, полученного фотоприемной матрицей на основе ПЗС. В способе определения координат центра тяжести изображения осуществляют поправку, соответствующую аддитивной составляющей искажений изображения, корректировку обрабатываемых сигналов обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений и формирование групп взвешенных с весами обратными нелинейным искажениям фотоприемной матрицы строчных интегральных сигналов, являющихся основой для определения координат центра тяжести изображения. Таким образом, устраняют влияние искажений изображения, характерных для ПЗС матрицы. 2 ил.

Способ определения координат центра тяжести изображения, заключающийся в том, что изображение объекта проецируют на фотоприемную матрицу ПЗС, аналоговый сигнал с которой преобразуют в совокупность дискретизированных электрических сигналов E₀(m,n), где m=1÷M, a n=1÷N (здесь М и N - число элементов разложения по ортогональным осям матрицы, М N - общее число элементов ПЗС матрицы), из которых формируют полный интегральный сигнал sq и две группы вспомогательных интегральных сигналов
, и , ,
где и означает округление до ближайшего целого в большую сторону, и определяют координаты центра тяжести изображения по правилу:
'
,
отличающийся тем, что на фотоприемной ПЗС матрице из каждого значения Е₀(m,n) вычитают поправку, соответствующую аддитивной составляющей искажений изображения Е_T(m,n), результат корректируют обратно пропорционально мультипликативной составляющей искажений (коэффициент A(m,n)) по правилу:
E(m,n)=A(m,n)[E₀(m,n)-E_T(m,n)]
и формируют групп строчных интегральных сигналов, соответствующих строчному накоплению сигнала изображения по правилу
, m=1, 2, …, M,
,
где означает округление числа а до ближайшего целого в меньшую сторону, затем формируют набор взвешенных строчных интегральных сигналов по правилу:
,
причем веса W_m определяют исходя из известных для данной матрицы ПЗС коэффициентов эффективности передачи заряда от строки к строке К в соответствии с правилом W_m=K^-m, из набора взвешенных строчных интегральных сигналов формируют полный откорректированный интегральный сигнал S_o, соответствующий интегральной интенсивности изображения объекта, х-группа вспомогательных откорректированных интегральных сигналов и y-группа вспомогательных откорректированных интегральных сигналов по правилу:
,
,
,
являющихся основой для определения истинных координат центра тяжести изображения.