ТЕЛЕВИЗИОННОЕ СЛЕДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО Советский патент 1994 года по МПК H04N7/18 

Изобретение относится к технике телевидения, в частности касается телевизионных систем автоматического управления, и может быть использовано при наблюдении и слежении за объектами в условиях применения ложных оптических целей.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости слежения за протяженными объектами при наличии ложных объектов.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема телевизионного следящего устройства. На фиг. 2 - временные диаграммы работы блока управления; на фиг. 3 - структурная электрическая схема блока управления; на фиг. 4 - структурная электрическая схема блока измерения размеров объекта; на фиг. 5 - структурная электрическая схема блока формирования строба; на фиг. 6 - временные диаграммы работы блока формирования строба; на фиг. 7 - структурная электрическая схема блока измерения скорости и направления; на фиг. 8 - структурная электрическая схема блока многоэлементной апертуры; на фиг. 9 - формирование сигнала многоэлементной апертуры; на фиг. 10 - алгоритм обработки логического блока; на фиг. 11 показан порядок нумерации сигналов многоэлементной апертуры; на фиг. 12 - формы сигналов на выходах телевизионного датчика, блока межкадровой разности, первого порогового блока, блока формирования импульсов объекта, сглаживающего фильтра и блока многоэлементной апертуры в режиме поиска.

Телевизионное следящее устройство содержит телевизоинный (ТВ) датчик 1, блок 2 межкадровой разности, первый пороговый блок 3, блок 4 формирования импульсов объектов, сглаживающий фильтр 5, второй элемент И 6, блок 7 многоэлементной апертуры, второй пороговый блок 8, первый элемент И 9, блок 10 управления, координатор 11, блок 12 измерения размеров объекта, блок 13 формирования строба, блок 14 измерения скорости и направления.

Блок 10 управления (см. фиг. 3) содержит таймеры 15-17, формирователи 18 и 19 импульсов, элемент И 20-22, триггер 23, генератор 24 тактовых импульсов (ГТИ).

Блок 12 измерения размеров объекта (см. фиг. 4) содержит элементы И 25-27, счетчики 28 и 29, регистры 30 и 31, генератор 32 тактовых импульсов (ГТИ), формирователь 33 импульсов, линию задержки 34, элемент НЕ 35.

Блок 13 формирования строба (см. фиг. 5) содержит каналы 36 и 37 формирования строба, каждый из которых состоит из реверсивного счетичка 38-1 (38-2), цифрового компаратора 39-1 (39-2), сумматора 40-1 (40-2) и переключателя 41-1 (41-2) установки начального размера строба, а также содержит генератор 42 тактовых импульсов (ГТИ), регистр 43, блок 44 суммирования, блок 45 вычисления модуля, элемент И 46, элементы ИЛИ 47, 48.

Блок 14 измерения скорости и направления (см. фиг. 7) содержит блок 49 задания интервала дискретизации, коммутатор 50, элементы 51 и 52 памяти, вычитатель 53, ключи 54-56, элемент ИЛИ 57, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 58.

Блок 7 многоэлементной апертуры (см. фиг. 8) содержит блок 59 строчных задержек, блок 60 элементных задержек, блок 61 формирования интервала дискретизации, состоящий из генератора 62 тактовых импульсов (ГТИ) и делителей 63 и 64 частоты с переменным коэффициентом деления (ДПКД) и логический блок 65, состоящий из элементов ИЛИ 66, 67 и элементов И 68, 69.

Телевизионное следящее устройство работает в трех режимах: поиск 1, слежение и поиск 2. Режим поиска 1 - поиск объекта во всем растре. Режим поиска 2 - поиск объекта после срыва слежения на фоне ложных оптических целей, когда в устройстве уже получена информация о размере и векторе скорости объекта. На основании этой информации идет селекция, при этом режим поиска 2 осуществляется не по всему растру, а формируется строб поиска, с течением времени расширяющийся в направлении заполненного вектора скорости потерянного объекта. При необнаружении за это время объекта с искомыми параметрами устройство переходит в режим поиска 1. Режим поиска 1 происходит при больших дистанциях между ТВ датчиком 1 и объектом. Оптическая система ТВ датчика 1 оказывается неспособной различить детали формы сильно удаленного объекта. При этих условиях основное значение имеют общие размеры объекта, а детали его формы играют второстепенную роль. Таким образом, в качестве определяющих признаков при селекции в режиме поиска 1 выступают подвижность объекта и его размер, задаваемый нижним и верхним пределами по длительности видеосигнала от изображения объекта.

Режим работы устройства задается в блоке 10 управления на основании анализа сигналов, поступающих на его вход по каналам поиска и слежения.

Рассмотрим работу блока 10 управления по эпюрам входных и выходных сигналов (см. фиг. 2) и его работе (см. фиг. 3). На основании поступающих в блок 10 управления сигналов формируются три логических сигнала режима работы: поиск 1 (см. фиг. 2, в), слежение (см. фиг. 2, г), поиск 2 (см. фиг. 2, д). Эти сигналы поступают в координатор 11, блок 12, блок 13 и блок 14 и определяют их работу в различных режимах.

В начальный момент времени телевизионное следящее устройство находится в режиме поиск 1. В этом режиме в канале поиска идет обработка сигнала и при попадании объекта в поле зрения ТВ датчика 1 происходит выделение сигнала объекта на выходе блока 7 многоэлементной апертуры. При появлении сигнала объекта на первом входе 70 блока 10 управления (см. фиг. 2, а) триггер 23 переключается в противоположное состояние, при этом происходит переключение режима поиска в режим слежения (см. фиг. 2, момент t₁). Момент переключения (положительный фронт сигнала фиг. 2, г) фиксируется в координаторе 11 как координата обнаруженного объекта. В результате в следующем кадре строб слежения совпадает с импульсами объектов в канале слежения. Таким образом, импульсы объекта поиска "настраивают" координатор 11 на объект через блок 10 управления, не поступая в координатор 11 непосредственно. Это возможно за счет того, что момент переключения из режима поиска 1 в режим слежения ввиду пространственно-временной структуры сигнала несет в себе информацию о координате обнаруженного в режиме поиска 1 объекта и отпадает необходимость подавать импульсы объекта поиска в координатор 11.

В момент t₁ (см. фиг. 2) сигнал с прямого выхода триггера 23 поступает на формирователь 18 импульсов, на выходе которого по положительному фронту сигнала формируется импульс, не позволяющий триггеру 13 в течение одного кадра переключаться в обратное состояние (режим поиска). Это связано с необходимостью задержки формирования в координаторе 11 координаты обнаруженного объекта, подачи его в блок 13, что приведет к открытию первого элемента И 9 и появлению импульсов объектов слежения в канале слежения на втором входе 71 блока 10 управления (см. фиг. 2б) и координатора 11 только в следующем кадре. Импульсы объекта слежения поступают на вход блока 10 управления - таймер 15 (см. фиг. 2, б). Это необходимо, чтобы при случайном исчезновении импульсов объекта слежения устройство оставалось в режиме слежения и ожидало появления их в последующих кадрах. Время такого ожидания в устройстве установлено равным 5 кадрам. Если импульсов объекта слежения пропало больше, чем на 5 кадров, таймер 15 сработает - откроет элемент И 20 и переведет триггер 13 в режим поиска (момент t₂, фиг. 2).

Таймер 16 необходим для анализа продолжительности режима слежения, для последующего перехода при срыве в режиме поиска 1 или поиска 2. Это необходимо, чтобы при случайном переходе в слежение после того как выяснится, что импульсы объекта слежения не появляются, система не переходила в режим расширяющегося строба в режиме поиска 2. Если слежение было длительным Δt_c = t₄ - t₃ > 20 Т кадра и в момент t₄(см. фиг. 2) произошел срыв слежения, то устройство перейдет в режим поиска 2, т. к. при слежении более 20 ТК в блоке 14 и блоке 12 будет сформирована информация о скорости и размерах объекта слежения.

Если режим слежения выполнялся больше 20 ТК, то по истечении этого времени таймер 16 откроет элемент И 22 и при срыве слежения положительным фронтом инверсного выходного сигнала триггера 23 (момент t₄ фиг. 2), выделенным формирователем импульсов 19, запустится таймер 17, который включает режим поиска 2, продолжающийся Δt_n2 = t₆ - t₄ = 100 Т_К. Если по истечении этого времени объект в канале поиска не селектируется, то устройство переходит в режим поиска 1 (момент t₆ фиг. 2), в противном случае устройство возвращается в режим слежения. Времена срабатывания таймеров 15-17 взяты соответственно 5 Тк, 20 ТК (1 с), 100 ТК (5 с).

Рассмотрим в начале работу устройства в режиме слежения, так как обработка в канале слежения более проста. Сигнал с выхода телевизионного датчика 1 преобразовывается в двухуровневый логический сигнал в пороговом блоке 8 и через элемент И 9, выполняющий роль логического ключа, управляемого сигналом строба слежения, и блок 10 управления поступает в координатор 11. Начальный размер строба, вырабатываемый в блоке 13 формирования строба, выбирается таким, чтобы он был больше объекта в момент обнаружения с учетом априорно известной максимальной скорости перемещения объекта. Сигнал импульсов объекта слежения с выхода блока 9 поступает в блок 12 измерения размера объекта, а сигналы координаты с выхода блока 11 поступают в блок 14 измерения скорости и направления. Блок 12 (см. фиг. 4) состоит из двух каналов измерения координат Х и Y и блоков управления.

Рассмотрим работу блока 12 на примере работы канала измерения координаты Х.

В элементе И 25 происходит модуляция (заполнение) видеосигнала от объекта, совпадающего со стробом слежения и измерительным сигналом, импульсами тактовой частоты f_т = 10 МГц. Число импульсов на выходе элемента И 25 оказывается пропорционально размеру объекта и подсчитывается счетчиком 28, а затем через регистр 30 поступает на выход 72 блока 12. При переходе устройства в режим поиска 2 по команде с третьего выхода 73 блока 10 управления (см. фиг. 2, д) прекращается перезапись из счетчика 28, последнее значение кода размера объекта фиксируется в регистре 30 и поступает на выход 72 во время выполнения режима поиска 2. Измерение размера происходит заново в каждом кадре, что осуществляется сбросом счетчика 28 в "0" кадровыми синхроимпульсами через формирователь импульсов 33 и линию задержки 34. Один раз за кадр размер объекта переписывается в регистр 30 и подается на выход 72. Код размера объекта используется затем для установки необходимого размера строба и частоты дискритизации блока 7 многоэлементной апертуры. Элемент И 35 необходим, чтобы в режиме поиска 2 не происходило записи "0" в регистре 30. При сигнале "Режим" (см. фиг. 2, д), равным 1, в регистр 30 по импульсу записи переписывается информация, при сигнале "Режим", равном 0, регистр 30 обнуляется и ни на какие сигналы не реагирует. Кадровый канал выполнен аналогично и имеет выход 74. При сближении с объектом его размер будет увеличиваться. Измеренные размеры объекта в каждом кадре из блока 12 поступают в блок 13 формирования строба, сюда же поступают из координатора 11 (выход 75) измеренные координаты объекта. В блоке 13 (см. фиг. 5) формируется стробирующий сигнал, позволяющий уменьшить поле наблюдения объекта в кадре с помощью элементов И 9 и 6, вырезающих из всего видеосигнала ТВ датчика 1 ту часть сигнала, которая расположена в зоне сформированного строба. В блоке формируется два вида строба: слежения и поиска. Сигнал строба слежения формируется на основании текущих измеренных размеров и координаты объекта, за которым осуществляется слежение по команде блока 10 управления, сигнал строба поиска формируется на основании заполненных размеров и вектора скорости объекта. Эпюры сигналов показаны на фиг. 6. Блок 13 формирования строба состоит из двух аналогичных каналов 36 и 37 формирования строба.

Рассмотрим работу блока 13 на примере канала 37 формирования строба.

Основу блока 13 составляют реверсивные счетчики 38-1 и 38-2.

В реверсивный счетчик 38-1 по окончании строчного синхроимпульса записывается код координаты Х и затем происходит считывание этой координаты до нуля импульсами с ГТИ 42 (см. фиг. 6, б). В момент равенства кода реверсивного счетчика 38-1 нулю последний реверсируется и начинается прямой счет импульсов с ГТИ 42 (см. фиг. 6, в). Изменяющийся во времени код (см. фиг. 6, д) с реверсивного счетчика 38-1 поступает на вход цифрового компаратора 39-1, на второй вход которого подается код размера строба с сумматора 40-1. На выходе цифрового компаратора 39-1 (см. фиг. 6, е) формируется импульс строчного строба. Время появления середины строчного импульса строба по координате Х относительно начала строчной развертки пропорционально записанной в реверсивный счетчик 38-1 координате Х, а его длительность определяется кодом размера строба, приходящего с сумматора 40-1.

Код размера строба определяется суммой следующих кодов: кода начального размера строба, приходящего с переключателя 41-1; кода размера изображения объекта вдоль строки, приходящего с блока 12 измерения размеров объекта; кода цифрового интегратора, образованного блоком 44 и регистром 43. На вход блока 46 поступает код модуля вектора скорости, полученного в блоке 45.

Работа блока 13 в режиме поиска 2 следующая.

При потере объекта в блок 13 формирования строба должен приходить прежний код размера объекта по координате Х и код вектора скорости. В режиме слежения регистр 43 обнуляется, интегрирование кода модуля вектора скорости запрещается. При потере объекта начинается интегрирование с частотой кадровых синхроимпульсов и как следствие начинается расширение размера строба по координате Х от кадра к кадру до захвата объекта следящей системой. При сигнале "Режим", равном 1, регистр 43 обнуляется и размер строба уменьшается до размера, определяемого начальным размером строба и размером объекта.

Реверсивный счетчик 38-1 имеет информационный вход 75 (76), на который подается N-разрядный двоичный код координаты Х; вход синхронизации, на который в канале 36 подается тактовая частота f_т = 10 МГц, а в канале 37 - частота строчных синхроимпульсов положительной полярности; вход предварительной записи кода координат в реверсивный счетчик 38-1, поступающего на информационный вход. В канале 36 на вход предварительной записи поступают строчные синхроимпульсы отрицательной полярности, в канале 37 на вход предварительной записи поступают кадровые синхроимпульсы отрицательной полярности, на выходе переполнения (см. фиг. 6, г) появляется импульс положительной полярности в момент времени, когда текущий код реверсивного счетчика 38-1 считывается до нуля и выход N-разрядного текущего кода реверсивного счетчика 38-1.

При поступлении на вход предварительной записи импульсов с ГТИ 42 (см. фиг. 6, а) происходит запись координат в реверсивный счетчик 38-1 или их начальная предустановка. По окончании этих импульсов начинается считывание записанного кода в канале 36 тактовой частоты 10 МГц, непрерывно поступающей на вход синхронизации, в канале 37 строчными синхроимпуль- сами положительной полярности. При считывании кода до нуля на выходе переполнения реверсивного счетчика 38-1 появится положительный импульс, который самореверсирует реверсивный счетчик 38-1 по внутренним связям, и счетчик начинает работать в режиме суммирования синхроимпульсов (f_т = 10 МГц в канале 36, ССИ - в канале 37). Координаты объекта в режиме слежения поступают в блок 14 измерения скорости и направления. Блок 14 (см. фиг. 7) может быть синтезирован по математической зависимости для определения скорости объекта V_i в i-м кадре
V_i= , где K_i - координаты объекта в i-м кадре;
K_i-1 - координаты объекта в (i-1)-м кадре;
Δt - временной интервал между i-м и i-1-м кадром.

Вычисление вектора скорости осуществляется по алгоритму
K_i-1 > K_i = +V_i, K_i-1 < K_i = -V_i.

Вычисленное значение вектора скорости V формируется на выходе вычитателя 53. В режиме слежения через открытый сигналом (см. фиг. 2, г) блока 10 управления (выход 76) ключ 54 и элемент ИЛИ 57 код поступает на выход блока 14. При переходе устройства в режим поиска 2 сигналом блока 10 управления (выход 73) закрывается ключ 55, в элементе 52 памяти фиксируется последнее значение кода , который через открытый ключ 56 поступает через элемент ИЛИ 57 на выход блока 14. Во время выполнения режима поиска 2 этот запомненный код используется для формирования расширяющего по мере увеличения времени строба поиска в соответствии с запомненными значениями величины скорости объекта и направления его движения. Автоматический поиск объекта ведется по отличию искомого объекта от ложного объекта по размерам с помощью блока 7 многоэлементной апертуры (см. фиг. 8). Размерная селекция осуществляется за счет учета межэлементной и межстрочной корреляции сигнала. Многоэлементная апертура формируется с помощью блока 59 строчных задержек и блока 60 элементных задержек из видеосигнала. В блок 65 логической обработки поступает одновременно 25 логических сигналов. В логическом блоке 65 происходит логическое сравнение сигналов апертуры, для удобства объединенных в зоны А, В, С. На основании этого сравнения выносится решение о размере и осуществляется селекция. На фиг. 9 показано формирование сигнала многоэлементной апертуры при попадании в ее поле зрения объекта, расположенного на трех строках в фиксированный момент времени. Для пояснения работы логического блока 65 приведен алгоритм обработки (см. фиг. 10 и 11); если А = 1, а В = 0, объект "меньше"; если А, В = 1, а С = 0, объект "наш"; если А, В, С = 1, объект "больше".

С помощью данной схемы реализуется селекция по размеру объектов, размеры которых составляют 1-3 элемента дискретизации по строке и кадру.

При изменении размера объекта наблюдения из блока 12 в блок 61 поступает код размера объекта, на основании кода размера формируется интервал дискретизации, определяющий размеры зоны А, В, С.

Автоматический поиск осуществляется следующим образом: сигнал ТВ датчика 1 поступает в блок 2 межкадровой разности, в котором происходит выделение сигнала подвижных объектов. Если объект точечный, на выходе блока 2 сигнал тоже точечный, если объект протяженный, на выходе блока 2 будет происходить выделение контуров подвижных объектов, а неподвижный фон будет подавляться. С выхода блока 2 видеосигнал поступает на первый пороговый блок 3, а затем на блок 4 формирования импульсов объекта, на выходе которого формируется двухуровневый логический сигнал. Уровень порога первого порогового блока 3 устанавливается на основании учета скорости движения объекта, измеренной в блоке 4, так как сигнал блока 2 зависит от скорости движения объекта. Таким образом, управление порогом первого порогового блока 3 позволяет в режиме поиска 2 после срыва слежения учитывать дополнительный параметр - скорость, и отфильтровать сигналы ложных объектов, имеющих скорость, отличную от скорости объекта.

Кроме того, блок 10 управления имеет второй выход 77 (см. фиг. 2в).

На фиг. 12 показаны выход ТВ датчика 1 (см. фиг. 12, а), выход блока 2 (см. фиг. 12, б), выход первого порогового блока 3 (см. фиг. 12, в, г), выход блока 4 (см. фиг. 12, д), выход сглаживающего фильтра 5 (см. фиг. 12, е), выход блока 7 (см. фиг. 12, ж).

На фиг. 1 не показан блок снихронизации, который соединен со всеми блоками и обеспечивает их синхронизацию. При раскрытии отдельных блоков в их состав, там, где это требуется по описанию работы, вводятся генераторы тактовых импульсов, с помощью которых вырабатываются все необходимые для этих блоков служебные ТВ сигналы. Все ГТИ работают синхронно. (56) Авторское свидетельство СССР N 759034, кл. H 04 N 7/18, 1977.

1. ТЕЛЕВИЗИОННОЕ СЛЕДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО , содеpжащее последовательно соединенные телевизионный датчик, блок межкадpовой pазности и пеpвый поpоговый блок, последовательно соединенные блок упpавления, кооpдинатоp, блок фоpмиpования стpоба и пеpвый элемент И, дpугой вход котоpого чеpез втоpой поpоговый блок подключен к выходу телевизионного датчика, а выход - к пеpвому входу блока упpавления и втоpому входу кооpдинатоpа, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости слежения за пpотяженными объектами пpи наличии ложных объектов, введены блок фоpмиpования импульсов объекта, сглаживающий фильтp, втоpой элемент И, блок многоэлементной апеpтуpы, включенные последовательно между выходом пеpвого поpогового блока и втоpым входом блока упpавления, блок измеpения pазмеpов объекта, пеpвый вход котоpого соединен с выходом пеpвого элемента И, втоpой и тpетий входы - соответственно с втоpым и тpетьим выходами блока упpавления, четвеpтый вход - с втоpым выходом блока фоpмиpования стpоба, а выход - с втоpыми входами блока многоэлементной апеpтуpы, и блок фоpмиpования стpоба, а также блок измеpения скоpости и напpавления, пеpвый вход котоpого соединен с выходом кооpдинатоpа, втоpой и тpетий входы - соответственно с тpетьим и четвеpтым выходами блока упpавления, пеpвый выход - с упpавляющим входом пеpвого поpогового блока, а втоpой выход - с тpетьим входом блока фоpмиpования стpоба, четвеpтый, пятый и шестой входы котоpого подключены соответственно к четвеpтому, тpетьему и втоpому выходам блока упpавления, а тpетий выход - к втоpому входу втоpого элемента И. 2. Устpойство по п. 1, отличающееся тем, что блок фоpмиpования стpоба содеpжит два канала фоpмиpования стpоба, пеpвый вход каждого из котоpых является пеpвым входом блока фоpмиpования стpоба, втоpой вход - втоpым входом, вход пpедваpительной записи пеpвого и вход синхpонизации втоpого каналов фоpмиpования стpоба подключены к пеpвому выходу генеpатоpа тактовых импульсов, вход синхpонизации пеpвого и вход пpедваpительной записи втоpого каналов фоpмиpования стpоба соответственно к втоpому и тpетьему выходам генеpатоpа тактовых импульсов, пеpвый выход каждого канала фоpмиpования стpоба является втоpым выходом блока фоpмиpования стpоба, а также содеpжит pегистp, выход котоpого подключен к тpетьему входу каждого канала фоpмиpования стpоба и к пеpвому входу блока суммиpования, тактовый вход соединен с тpетьим выходом генеpатоpа тактовых импульсов, вход сбpоса является пятым входом блока фоpмиpования стpоба, а инфоpмационный вход подключен к выходу блока суммиpования, втоpой вход котоpого соединен с выходом блока вычисления модуля, вход котоpого является тpетьим входом блока фоpмиpования стpоба, втоpой выход каждого канала фоpмиpования стpоба соединен с соответствующим входом элемента И, выход котоpого подключен к пеpвым входам пеpвого и втоpого элементов ИЛИ, втоpой вход пеpвого из котоpых является четвеpтым входом блока фоpмиpования стpоба, пеpвым выходом котоpого является выход пеpвого элемента ИЛИ, тpетьим выходом - выход втоpого элемента ИЛИ, а шестым входом - втоpой вход втоpого элемента ИЛИ, пpи этом каждый канал фоpмиpования стpоба состоит из pевеpсивного счетчика, цифpового компаpатоpа, сумматоpа и пеpеключателя установки начального pазмеpа стpоба, инфомpационный вход pевеpсивного счетчика является пеpвым входом канала фоpмиpования стpоба, втоpым входом котоpого является пеpвый вход сумматоpа, тpетьим входом является втоpой вход сумматоpа, тpетий вход котоpого соединен с выходом пеpеключателя установки начального pазмеpа стpоба, а выход - с пеpвым входом цифpового компаpатоpа, выход котоpого является втоpым выходом канала фоpмиpования стpоба, а втоpой вход подключен к pазpядному выходу pевеpсивного счетчика, вход синхpонизации котоpого является входом синхpонизации канала фоpмиpования стpоба, вход пpедвpительной записи - входом пpедваpительной записи канала фоpмиpования стpоба, а выход пеpеполнения - пеpвым выходом канала фоpмиpования стpоба.