Телевизионное устройство формирования сигнала движущихся точечных объектов Советский патент 1992 года по МПК H04N5/30 

сл

С

Изобретение относится к телевидению- и может быть использовано при разработке телевизионных систем наблюдения малоконтрастных подвижных точечных объектов, например звезд на фоне космоса и облаков. Цель изобретения - увеличение отношения сигнал-помеха. Телевизионное устройство формирования сигнала движущихся точечных объектов содержит источник 1 питания управляющий коммутатор 2, матричный фотоэлектрический преобразователь 3, первый, второй и.третий коммутаторы строк 4, 5, 6, четвертый коммутатор 7, блок управления, первый, второй, третий и четвертый элементы 9 10, 11, 12 памяти, переключатель 13 первый и второй сумматоры 14, 15, аттенюатор 16, блок 17 вычитания. 1 ил.

Изобретение относится к промышленности средств связи, в частности к телевидению, и может быть использовано при разработке телевизионных систем наблюдения малоконтрастных подвижных точечных объектов, например звезд на фоне космоса и облаков, изучаемых в астрономии. Для получения достоверной информации о наблюдаемых объектах необходимо, чтобы телевизионная система обладала высокой чувствительностью и жестким растром.

Одним из известных устройств, пригодных для создания телевизионных систем указанного назначения, является телевизионный пространственный фильтр. Он содержит фоторезисторную матрицу (ФМ), источник питания, основные коммутаторы шин-столбцов и шин-строк, по два дополнительных коммутатора шин-столбцов и шин- строк, дополнительный источник питания и

сумматор. Выходы коммутатора шин-столбцов соединены с шинами-столбцами ФМ. Входы коммутатора шин-строк соединены с шинами-строками ФМ. Вход основного коммутатора шин-столбцов подключен к выходу основного источника питания, а вход первого коммутатора шин-столбцов - к выходу дополнительного источника питания. Выходы основного и первого дополнительного коммутаторов шин-строк соединены соответственно с входами сумматора. Выходы вторых дополнительных коммутаторов шин- строк и шин-столбцов подключены к шине Земля.

Устройство работает следующим образом.

На светочувствительную поверхность ФМ проецируется изображение наблюдаемого объекта котэрое создает в его объеме пространственный рельеф проводимостей. Основной коммутатор шин-столбцов пооче 4

iCJ 4

:кэ

|CJ

ю

редно подключает выход источника питания к шинам-столбцам ФМ, к каждой на время опроса одного элемента. Основной коммутатор шин-строк поочередно подключает шины-строки ФМ ко входу сумматора, каж- дую на время одной строки телевизионного кадра. Таким образом, в один из входов сумматора поочередно втекают импульсы тока, пропорциональные проводимостям элементов, находящихся в перекрестии шин ФМ, коммутируемых основным коммутаторами. Эти элементы называют центральными элементами считывающей апертуры фильтра, Дополнительные коммутаторы шин-столбцов и шин-строк подклю- чают 8 периферийных, относительно центрального элементов ФМ в цель опроса между дополнительным источником питания и вторым входом сумматора, а все остальные элементы - на шину Земля. Таким образом во второй вход сумматора втекают импульсы тока, пропорциональные по величинесумме проводимостей периферийных, относительно центрального, элементов ФМ с соответствующими весовыми коэффициентами, которые регулируются величиной напряжения дополнительного источника питания. На выходе фильтра формируется сигнал, пропорциональный разности токов, втекающих в оба входа сумматора. Учитывая, что изображение от точечного объекта не превышает размеры элемента ФМ, фотоотклик от него в случае совмещения изображения и элемента ФМ будет только на одном элементе. В процессе развертки изображения, когда освещенный изображением точечного объекта элемент ФМ станет центральным в считывающей апертуре, на выходе фильтра будет выделен соответствующий сигнал от точечного объекта, т.е. произойдет про- странственная фильтрация изображения.

Одним из недостатков устройства является малое отношение сигнал-помеха на выходе при наблюдении подвижных точечных объектов. Это объясняется тем, что изображение точечного объекта равновероятно может быть спроецировано в любое место светочувствительной поверхности ФМ. Поскольку ФМ имеет нечувстви- тельные зазоры между элементами, пространственная дискретизация изображения неравномерна и сигнал на выходе ФМ зависит не только от формы и интенсивности оптического изображения, но и от его местоположения на светочувствительной поверхности. Так, при проецировании изображения точечного объекта в зазор между элементами шин-строк ФМ, сигнал с освещенных элементов уменьшится более чем в два раза, так как энергия светового сигнала

распределится на два элемента и зазор между ними. При проецировании изображения точечного объекта в перекрестие зазоров, сигнал с освещенных элементов уменьшится более чем в четыре раза. Опрос таким образом освещенных элементов считывающей апертурой из 9 элементов еще сильнее ослабит сигнал, в результате чего отношение сигнал-помеха на выходе устройства уменьшается или вообще становится равным нулю, т.е. сигнал теряется.

Вторым недостатком устройства является невозможность применения в нем других, отличных от фоторезисторных, матричных приемников, так как фильтрация происходит с использованием разнополяр- ных источников питания, что непригодно, например, для фотодиодных или фототранзисторных приемников излучения.

Третьим недостатком устройства является невозможность пространственной фильтрации всего изображения, проецируемого на светочувствительную поверхность ФМ. Это объясняется тем, что центр его считывающей апертуры в процессе развертки изображения никогда не попадает на элементы ФМ, расположенные на краях, т.е. элементы первой и последней шин-строк, а также первой и последней шин-столбцов. В результате точечное изображение, спроецированное на эти элементы теряется в видеосигнале на выходе устройства.

Одним из наиболее близких по технической сущности и возможностям применения является телевизионное устройство для пространственной фильтрации изображения. Оно содержит матричный фотоэлектрический преобразователь (МФП), коммутатор шин-столбцов, три коммутатора шин-строк, три элемента памяти (ЭП), источник напряжения, блок сравнения, состоящий из восьми пороговых устройств и схемы И. Источник напряжения подключен к входу коммутатора шин-столбцов, выходы которого соединены соответственно с шинами- столбцами МФП. Шины-строки МФП подключены соответственно к параллельно соединенным входам коммутаторов шин- строк, выходы которых подключены соответственно ко входам трех ЭП. Входы и выходы ЭП подключены к 8 входам блока сравнения, 8 выходов которого соединены с 8 входами схемы И, выход которой является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом.

На светочувствительную поверхность МФП проецируется изображение сюжета с точечным объектом, которое создает в его объеме рельеф проводимостей, соответстеующий пространственному распределению освещенности изображения. Элементы МФП последовательно, с помощью коммутатора шин-столбцов, и построчно, с помощью коммутаторов шин-строк, подключаются в электрическую цепь между источником напряжения и соответствующим ЭП. Управление тремя коммутаторами шин-строк таково, что на их выходах одновременно присутствуют сигналы с трех смежных шин-строк МФП. Эти сигналы задерживаются в ЭП на время длительности сигналов - на первое выходе и двух - на втором выходе элементов МФП. Таким образом, незадержанные сигналы со входов ЭП и задержанные с первых и вторых выходов - есть сигналы с 9 элементов МФП, образующих на поверхности МФП участок из 3x3 элемента, называемый считывающей апертурой устройства. В процессе развертки изображения считывающая апертура дискретно смещается с частотой элемента вдоль строки и с частотой строк вдоль кадра. В блоке сравнения, содержащем 8 пороговых устройств, на первый вход которых подается сигнал с центрального элемента считывающей апертуры, на вторые - соответственно сигналы с периферийных, относительно центрального, элементов апертуры, а на третий - пороговое напряжение, осуществляется сравнение результатов вычитания сигнала центрального элемента апертуры и периферийных элементов с пороговым напряжением. Если сигнал с центрального элемента апертуры превышает на заданную пороговым напряжением величину, сигналы со всех 8 периферийных элементов МФП, то срабатывает схема И и на выходе устройства появляется сигнал от точечного изображения.

Основным недостатком устройства является малое отношение сигнал-помеха на его выходе при наблюдении движущегося точечного изображения. Это объясняется тем, что в данном устройстве максимальное отношение сигнал-помеха при заданной освещенности точечного объекта возможно только в случае совмещения центров элемента МФП и изображения, так как при этом вся световая энергия изображения преобразуется в сигнал, В остальных случаях, когда точечное изображение попадает на несколько элементов, для формирования сигнала с одного элемента используется лишь часть световой энергии точечного изображения, поэтому отношение сигнал-помеха на выходе устройства уменьшается. Кроме того, в данном устройстве возможна полная потеря сигнала от точечного изображения, в частности, при попадании его центра в зазор между элементами МФП, а также на краевые элементы МФП, поскольку центр апертуры никогда не перекрывает их в процессе считывания видеосигнала.

Целью изобретения является увеличение отношения сигнал-помеха от точечного малоконтрастного движущегося объекта на выходе устройства.

Для этого телевизионное устройство

0 формирования сигнала движущихся точечных объектов должно содержать последовательно соединенные источник питания и коммутатор шин-столбцов, МФП, первый, второй и третий коммутаторы шин-строк,

5 входы которых соединены соответственно с шинами-строками МФП, а выходы - с входами первого, второго и третьего ЭП соответственно. Выходы коммутатора шин-столбцов соединены соответственно с шинами0 столбцами МФП. Управляющие входы коммутаторов шин-столбцов и шин-строк соединены с соответствующими выходами внешнего синхрогенератора, не входящего в состав устройства.

5В устройство должны быть введены четвертые коммутатор шин-строк и ЭП, блок управления (БУ), логический блок (ЛБ), первый и второй сумматоры, аттенюатор и схема вычитания, соединенные следующим

0 образом. Входы четвертого коммутатора шин-строк соединены соответственно с шинами-строками МФП, а выход - с входом четвертого ЭП. Выходы всех ЭП, по четыре от каждого ЭП, соединены с сответствующи5 ми входами Л Б. Управляющие входы четвертого коммутатора шин-строк и БУ соединены с соответствующими выходами внешнего синхрогенератора. Управляющие входы всех ЭП, Л Б, а также первого и второ0 го сумматора соединены с соответствующими выходами БУ Первые четыре выхода ЛБ соединены с сооветствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом схемы вычитания. Ос5 тальные двенадцать выходов ЛБ соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с входом аттенюатора. Выход аттенюатора соединен с вторым входом схемы вычитания, выход

0 которой является выходом устройства. Благодаря введению в устройство дополнительных блоков и соединению их указанным образом, качественно изменяются его свойства. На выходе устройства в течение каж5 дого интервала времени опроса одного элемента МФП получают сигнал от 16-эле- ментной апертуры с соответствующим коэффициентом прозрачности. Если такая апертура анализирует изображение фона с медленно изменяющейся яркостью, то на

выходе устройства, с учетом, того в пределах малой площади апертуры яркость практически постоянна, сигнал равен нулю, так как суммарные сигналы от 12-ти периферийных элементов МФП, ослабленные аттенюатором в три раза, и четырех центральных элементов апертуры, на входах схемы вычитания равны, каждый 4 (за 1 обозначен сигнал каждого элемента). Если же анализируется аналогичное изображение фона и на нем расположено изображение точечного объекта размером в один элемент МФП, то независимо от положения изображения на светочувствительном поле МФП (худший случай, когда световая энергия точечного изображения делится между четырьмя элементами МФП) сигнал от точечного изображения всегда максимален за счет суммирования сигналов четырех элементов центра апертуры. Так как такая апертура есть пространственный фильтр, то устройство выделяет точечные изображения и подавляет низкочастотную фоновую помеху. Эффективность работы предлагаемого устройства выражается в достижении всегда максимального значения сигнала от движущегося точечного изображения независимо от положения его проекции на светочувствительной поверхности МФП и за счет этого в увеличении отношения сигнал-помеха на его выходе, Кроме того, увеличение отношения сигнал-помеха ожидается еще и за счет того, что происходит более точная, чем в прототипе, оценка фонового сигнала операций суммирования сигналов 12-ти периферийных элементов апертуры, усреднения, путем деления полученной суммы на 3 и вычитания результата деления из суммы сигналов 4-х элементов центра апертуры. В предлагаемом устройстве исключена также возможность потери видеосигнала от точечного изображения, спроецированного на краевые элементы МФП.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 питания, коммутатор 2 шин-столбцов, МФП 3, первый, второй, третий и четвертый коммутаторы 4, 5, 6, 7 шин-строк, БУ 8, первый, второй, третий и четвертый ЭП 9, 10, 11, 12, ЛБ 13, первый сумматор 14, аттенюатор 15, второй сумматор 16 и схему вычитания 17. Шины-столбцы МФП 3 подключены к выходам коммутатора 2, вход которого соединен со входом источника 1 питания. Шины-строки МФП 3 подключены к параллельно соединенным соответствующим входам коммутаторов 4, 5, 6, 7. Коммутаторы 2, 4, 5, 6, 7 выполнены аналогично и могут быть изготовлены, например, на базе микросхем

тип Б1110 КН1-2 или 733 КН1, которые содержат каждая, регистр сдвига, соединенный выходами с затворами двухвходовых ключей. Каждый ключ это два последовательно соединенных МОП транзистора с выходом в точке их соединения. В коммутаторе 2 один вход ключей соединен с общей шиной, второй - с выходом источника 1 питания. В коммутаторах 4, 5, 6, 7 один вход

0 ключей соединен с общей шиной, второй - с входом соответствующего ЭП (9,10,11 или 12). Для управления работой коммутаторов на их управляющие входы подаются синхросигналы от внешнего синхрогенератора не

5 показанного на фиг.1. ЭП 9, 10, 11 и 12 аналогичны друг другу и могут быть выполнены, каждый в виде преобразователя ток- напряжение на базе операционного усилителя типа 544 УД2, соединенного с

0 входом аналоговой схемы задержки, например, в виде трех последовательно соединен- ных схем выборки-хранения с максимальным временем задержки, равным сумме длительностей сигналов трех элемен5 тов МФП. Каждый ЭП имеет 4 выхода. Первый выход ЭП - это выход незадержанного сигнала, второй - выход сигнала, задержанного на время одного элемента, третий - выход сигнала, задержанного на время двух

0 элементов, четвертый - выход сигнала, задержанного на время трех элементов, Если на вход ЭП подается видеосигнал, то в интервале времени опроса 4-го элемента от начала строки на первом выходе будет при5 сутствовать сигнал 4-го элемента, на втором выходе - сигнал 3-го элемента, на третьем выходе - сигнал 2-го элемента, на четвертом выходе-сигнал 1-го элемента. В интервале опроса 5-го элемента МФП 3 на 1-ом выходе

0 - сигнал 5-го элемента, на 2-ом - сигнал 4-го элемента, на 3-ем - сигнал 3-го элемента, на 4-ом сигнал 2-го элемента и т.д. С каждым очередным интервалом времени опроса элементов МФП происходит дискретное пе5 ремещение видеосигналов на выходах ЭП, причем сигнал с 4-го выхода заменяется на сигнал с 3-го выхода, сигнал с 2-го выхода перемещается на 3-ий, сигнал с 1-го - на 2-ой выход, а на 1-ом - сигнал считываемого

0 в данном интервале времени элемента МФП, Управление ЭП осуществляется импульсами с БУ 8, синхронизация работы которого осуществляется за счет подачи на него синхросигналов : внешнего источника.

5 Выходы всех ЭП соединены с соответствующими входами ЛБ 13, управление работой которого происходит импульсами с соответствующих выходов БУ 8. ЛБ 13 может быть выполнен на базе аналоговых ключей типа 590 КН 6 с управлением от дешифратора на

микросхемах 564-й серии по сигналу от БУ 8. БУ 8 может быть выполнен в виде формирователя управляющих импульсов на микросхемах 564 серии. Первые четыре выхода Л Б 13 соединены с входами первого сумматора 14, выполненного, например, на опера- ционном усилителе 544 УД1 с запоминающей емкостью на выходе и стро- бируемыми по сигналу управления от БУ 8 входами с помощью ключей типа 590 КН2. Остальные 12 выходов ЛБ 13 соединены с входами второго сумматора 16, выполненного аналогично. Выход сумматора 16 соединен с входом аттенюатора 15, выполненного, например, в виде усилителя на базе операционного усилителя 544 УД1 с коэффициентом усиления 1 /3, Выходы аттенюатора 15 и первого сумматора 14 соединены с входами схемы вычитания 17, выполненной, например, по схеме дифференциального усилителя на базе микросхемы 544 УД1.

Устройство работает следующим образом.

Спроецированное изображение точечного объекта на МФП 3 создает в его объеме рельеф фотопроводимостей элементов. Опрос элементов вдоль шин-строк осуществляется посредством подключения коммутатором 2 шин-столбцов МФП 3 к выходу источника 1 питания с частотой элементов. Управление работой коммутатора 2 осуществляется синхросигналами от внешнего ис- точника. Аналогично управляются и коммутаторы 4,5, 6, 7. В начале телевизионного кадра четыре первые шины-строки МФП 3, посредством коммутаторов 4, 5, 6, 7 шин-строк, соединяются соответственно с входами ЭП 9, 10, 11, 12 на время передачи одной строки Тстр. Через время ТСтр. ко входам ЭП 9, 10, 11, 12 подключаются 2, 3, 4 и 5 шины-строки МФП 3 и т.д. Таким образом, на выходах коммутаторов 4, 5, 6, 7 имеют место сигналы элементов 4-х смежных шин- строк МФП 3, а на выходах ЭП 9, 10, 11, 12 - сигналы 4-х смежных элементов МФП 3 с каждой из 4-х подключенных шин-строк, т.е. сигалы 16-ти элементов МФП 3, образующих квадрат из 4x4 элементов на светочувствительной поверхности МФП 3. Этот квадрат называется считывающей апертурой.

Сигналы с ЭП 9, 10, 11, 12 через ЛБ 13 подаются на первый и второй сумматоры 14 и 16 в соответствии со схемой. При этом происходит коммутация сигналов в ЛБ 13 в соответствии с алгоритмом с выходов ЭП 9. 10, 11, 12 на входы сумматоров 14 и 16 в зависимости от номера элемента на строке и номера строки. Например, для 1-го элемента 2-ой строки происходит коммутация сигнала с 1-го Л Б 13 на его 21 выход, 2-го на 22-ой, 3-го на 17-ый, 4-го на 18-ый, 5-го на 23-ий, 6-го на 24-ый, 7-го на 19-ый, 8-го на / 20-ый, 9-го на 25-ый, 10-го на 26-ой, 11 на 27-ой, 12-го на 28-ой, 13-го на 29-ый, 14-го на 30-ый, 15-го на 31-ый, 16-го на 32-ой. Сигналы от элементов центра апертуры складываются в сумматоре 14, а от 12-ти 0 периферийных элементов складываются в сумматоре 16.

Учитывая, что задержка сигнала в ЭП происходит не точно на время одного элемента ТЭл., а на время (ТЭл. - Ти), где Ти - 5 длительность импульса управления ЭП, сложение происходит в интервале строба, что исключает влияние неточности на результаты суммирования. Обозначим:

Уф.п. - пиковое значение сигнала фоно- 0 вой помехи;

DC - сигнал от точечного объекта; иш среднеквадратическое значение флуктуационного шума МФП.

Тогда при совмещении центра апертуры 5 с изображением точечного объекта, имеем: На выходе сумматора 14: ,.n. + 21)ш. + UC. На выходе сумматора 16: U2 12 иф.п.+ иш. 3,46 0 На выходе аттенюатора 15: из 41)ф.п. + 1.15Uiii. На выходе устройства: Увых. Uc + 2,31 иш. В предлагаемом устройстве за счет вве- 5 дения дополнительных блоков и соединения их указанным образом качественно изменяются фильтрующие свойства апертуры считывания. Это выражается в достижении всегда максимального значения 0 сигнала от движущегося точечного объекта, проекция которого занимает случайное положение на светочувствительной поверхности МФП 3 и необязательно проходит через центр площадки элемента, в результате чего 5 отношение сигнал-помеха на выходе устройства увеличивается. Кроме того, увеличение отношения сигнал-помеха ожидается еще за счет более точной, чем в прототипе, оценки фонового сигнала операцией сумми- 0 рования сигналов 12-ти периферийных элементов апертуры, усредения, путем деления полученной суммы сигналов на 3 и вычитания из результата деления суммы сигналов 4-х элементов центра апертуры. 5 В предлагаемом устройстве за счет процедуры суммирования сигналов центра апертуры в одном сумматоре и сигналов периферийных элементов по отношению к центру в другом сумматоре, а также процедуры вычитания этих сумм в схеме вычитания, флуктуационный шум увеличивается в 2,31 раза. Это увеличение несущественно по сравнению с тем, что сигнал от фоновой помехи, в сотни раз превышающий величину флуктуационного шума, практически от- сутствует в видеосигнале, в результате чего отношение сигнал-помеха на выходе устройства увеличивается. В предлагаемом устройстве исключена возможность потери сигнала от точечного объекта при попада- нии проекции изображения в зазор между элементами и на краевые элементы МФП, в результате чего вероятность пропуска сигнала сведена к минимуму.

Предлагаемое устройство по стоимости практически не отличается от известного, т.к. затраты на его изготовление в основном определяются стоимостью МФП, которая составляет 95% от общей стоимости Затра- ты от введения дополнительных блоков в устройство невелики и оправданы исключением возможности потери сигнала от точечного объекта и увеличением достоверности информации о нем путем достижения максимально возможного отношения сигнал- помеха на выходе устройства независимо от местоположения проекции точечного изображения на светочувствительной поверхности МФП.

Формулаизобретения

Телевизионное устройство формирования сигнала движущихся точечных объектов, содержащее последовательно включенный источник питания, управляющий коммутатор, каждый из выходов которого сое- динен с соответствующим входом матричного фотоэлектрического преобразователя

(МФП), первый, второй и третий коммутаторы, входы которых соединены с соответствующими выходами МФП, а выходы коммутаторов строк - с входами первого, второго и третьего элементов памяти (ЭП), причем управляющие входы коммутаторов и являются входами управления синхросигналами, отличающееся тем, что, с целью увеличения отношения сигнат-помеха, введены четвертый коммутатор, входы которого соединены соответствующими выходами МФП, а выход - с входом четвертого ЭП, блок управления, первый и второй сумматоры, переключатель, аттенюатор и блок вычитания, причем управляющие входы четвертого коммутатора строк и блока управления являются входами управления синхросигналов, управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого элементов памяти объединены и соединены с первым управляющим выходом блока управления, входы первого и второго сумматора переключателя соединены с соответствующими вторыми и третьими управляющими выходами блока управления, выходы всех элементов памяти соединены с соответствующими входами переключателя, четыре выхода переключателя соединены с соответствующими входами первого сумматора, остальные выходы переключателя соединены с соответствующими входами второго сумматора, выход которого соединен с входом аттенюатора, а выход аттенюатора и выход первого сумматора подключены соответственно к первому и второму входам блока вычитания, выход которого является выходом устройства.

I i

пг

выход