DE1448615C3 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Verfolgen oder Lenken eines Gegenstandes mit Hilfe eines elektronischen Bildgebers und einer elektronischen Bildwiedergabeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine elektronische Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens, bei denen mit Hilfe eines elektronischen Bildgebers und einer entsprechenden Bildwiedergabeeinrichtung ein Gegenstand verfolgt oder gelenkt wird.

Bei einer großen Gruppe von bekannten Verfahren und Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art, zu der beispielsweise die in den USA.-Patentschriften 2 981 843 und 3 007 053 sowie die in der deutschen Patentschrift 1035 537 beschriebenen Verfahren und Schaltungsanordnungen gehören, sind nur solche Gegenstände zu verfolgen oder zu lenken, die heller als ihr Hintergrund sind bzw. die gegenüber ihrer Umgebung eine stärkere Wärme- oder Lichtquelle darstellen. Derartige Verfahren versagen also immer dann, wenn der Hintergrund heller als der zu verfolgende Gegenstand ist oder wenn sich der Gegenstand von seiner Umgebung nur durch eine relativ kleine Grauwertdifferenz unterscheidet. Bei diesem Verfahren ist ferner beim gleichzeitigen Erfassen mehrerer Gegenstände annähernd gleicher Helligkeit ein Nachführen nur nach dem erfaßbaren Flächenschwerpunkt aller erfaßten Gegenstände möglich, . jedoch nicht die Verfolgung eines aus der Gruppe zu selektierenden einzelnen Gegenstandes.

Andere bekannte Verfahren und Einrichtungen nach Art eines in der USA.-Patentschrift 3 039 002 beschriebenen Gerätes haben einen relativ hohen Gesamtaufwand, der dadurch bedingt ist, daß zwei Bildaufnahme-Einrichtungen mit den ihnen zugeordneten elektronischen Einrichtungen erforderlich sind, ohne daß dadurch die aufgezeigten Mängel der vorher beschriebenen Einrichtungen beseitigt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen es möglich ist, einen Gegenstand auch dann zu verfolgen oder zu lenken, wenn er sich von seinem Hintergrund nur durch eine ' relativ kleine Grauwert-Differenz unterscheidet, auch dann, wenn er dunkler als sein Hintergrund ist. Mit dem Verfahren soll ferner die Möglichkeit gegeben sein, aus einer Gruppe gleichartiger Gegenstände einen beliebig wählbaren Gegenstand zu verfolgen.

Das Verfahren, mit dem diese Aufgabe mit Hilfe eines elektronischen Bildgebers und einer elektronischen Bildwiedergabe-Einrichtung gelöst ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Position eines nur den Gegenstand und seine nächste Umgebung enthaltenden Bildausschnittes entsprechende Lagesignale für den Bildausschnitt nach Höhe und Seite von Hand eingestellt werden und gespeichert werden;

2. ein dem Grauwert des Gegenstandes im Bild-. ausschnitt mit hoher Genauigkeit entsprechendes Signal ebenfalls von Hand eingestellt und gespeichert wird;

3. die Speicher von den Handeinstellmitteln getrennt werden; -

4. für die Lage und den Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt kennzeichnende weitere Signale fortlaufend gebildet werden und mit den zugeordneten Speicherwerten verglichen werden; -

5. die durch. Signalvergleich ermittelten Abweichungen durch Korrektur der gespeicherten Werte ausgeregelt werden;

6. die korrigierten und gespeicherten Positionssignale zur Verfolgung oder Lenkung des Gegenstandes benutzt werden.

Die Durchführung dieses Verfahrens kann mit einer Schaltungsanordnung geschehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß in eine einen Bildgeber und eine Bildwiedergabe-Einrichtung verbindende Signalleitung (Vidiosignalleitung) ein Zeitselektor und ein Amplitudenselektor in Kaskade geschaltet sind, von denen der Zeitselektor aus Impulsgeneratoren eines Zeilenselektors und eines Bildselektors über eine Koinzidenzschaltung angesteuert ist und die Impulsgeneratoren über Verzögerungsschaltungen aus Speicherschaltungen gesteuert sind, in denen mit Hilfe von abschaltbaren Potentiometern der Lage des Bildausschnittes im Bild entsprechende Signale eingespeichert sind und von denen der Amplitudenselektor aus einer weiteren Speicherschaltung angesteuert ist, in der mit hoher Genauigkeit ein dem Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt entsprechendes Signal mit Hilfe eines weiteren abschaltbaren Potentiometers eingegeben ist, wobei die aus den Speicherschaltungen den Verzögerungsschaltungen zugeführten Signale zum Verfolgen oder Lenken eines Gegenstandes zur Verfügung stehen.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist dabei das in der, Zeilenverzögerungsleitung gebildete Signal über einen Zeilendiskriminator-Impulsgenerator einer Koinzidenzschaltung zugeführt, in die ferner das vom Bildselektor-Impulsgenerator der Koinzidenzschaltung zugeführte Signal eingegeben ist, und ist in analoger Anordnung einer weiteren Koinzidenzschaltung das in der Bildverzögerungsschaltung gebildete Signal über einen Bilddiskriminator-Impulsgenerator zugeführt, in die auch das im Zeilenselektor-Impuls- , generator gebildete Signal eingegeben ist und sind ferner die Ausgänge der beiden Koinzidenzschaltungen über Diskriminatoren, denen ferner das vor oder hinter dem Ampütudenselektor anstehende Signal zugeführt ist, an die Speicherschaltung angeschlossen.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Bildschirmes der Bildröhre eines Fernsehempfängers mit bis auf einen rechteckigen Bildausschnitt unterdrücktem Schirmbild,

F i g. 2 das Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform der. erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 3 eine Darstellung der auf verschiedenen Leitungen der Schaltungsanordnung nach F i g. 2 auftretenden elektrischen Signale und

Fig. 4 die Darstellung eines Ausschnittes aus F i g. 3 in vergrößertem Zeitmaßstab mit einigen Signalen aus F i g. 3 und weiteren auf anderen Leitungen auftretenden Signalen. ■;-■■.·■

Zum Verfolgen oder Lenken eines Gegenstandes wird zunächst mit Hilfe eines elektronischen Bildgebers, der beispielsweise durch eine Fernsehkamera verkörpert ist, ein Bild des Gegenstandes und seiner weiteren Umgebung aufgenommen und mittels einer elektronischen Bildwiedergabe-Einrichtung, beispielsweise einer Fernsehkamera, wiedergegeben. In der Fig. 1 stellt der äußere Rahmen die Begrenzung des auf dem Bildschirm gezeigten Bildes dar. Das Bild enthält den zu verfolgenden Gegenstand und dessen nächste Umgebung auf einem mit den Quadranten 1 ·

bis 4 bezeichneten Bildausschnitt, für dessen Lage von Hand Lagesignale nach Höhe und Seite eingestellt und gespeichert werden, wobei die Einstellung auf dem Bildschirm der Wiedergabe-Einrichtung durch die Lage eines den Gegenstand umgebenden Leuchtrahmens kontrollierbar ist. Ferner wird ein den Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt entsprechendes Signal ebenfalls von Hand eingestellt und gespeichert, wobei diese mit hoher Genauigkeit durchzuführende Einstellung auf dem Bildschirm durch eine Helligkeitsänderung des dargestellten Gegenstandes angezeigt ist.

Mit den beiden gespeicherten Signalen lassen sich die der Aufgabenstellung zugrunde liegenden Bedingungen erfüllen, d. h., bei fortlaufender Korrektur dieser Signale stellen diese Bezugsgrößen dar, mit denen ein Gegenstand über geeignete Einrichtungen zu verfolgen oder zu lenken ist, selbst dann, wenn er sich in seinem Remissionsverhalten nur geringfügig von seiner Umgebung unterscheidet.

Zur selbsttätigen Verfolgung eines Gegenstandes werden nach vollzogener Einstellung.der beiden Speicherwerte verfahrensgemäß die Handeinstellmittel abgeschaltet und fortlaufend weitere Signale gebildet, die mit den zugeordneten Speicherwerten verglichen werden, wobei die durch Signalvergleich ermittelten Abweichungen durch Korrektur der gespeicherten Werte ausgeregelt werden und die korrigierten, gespeicherten Lagesignale zur Verfolgung oder Lenkung des Gegenstandes zur Verfügung stehen.

Weitere Einzelheiten über die Durchführung des Verfahrens und seine technische Realisierbarkeit sind im folgenden an Hand des in einem Blockschaltbild in der F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Ein Bildgeber 1, der bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen. Schaltungsanordnung eine Fernsehaufnahmekamera ist, synchronisiert über die Zuleitungen 1b und Ic die Bild- und. Zeilen-Ablenkgeneratoren eines handelsüblichen Fernsehgerätes 2. Die Synchronisationsimpulse für die Sägezahngeneratoren, von Zeile und Bild stoßen jeweils ein Zeitverzögerungsglied 3 für die Zeile bzw. ein Zeitverzögerungsglied 4 für das Bild an, die eine gewisse Zeit nach dem Auftreten des Zeilen- bzw. Bildsynchronisationsimpulses jeweils einen Impuls abgeben.

Die Ausgangsimpulse der Zeilenverzögerung und der Bildverzögerung sind in Fig. 3, Leitung 3α und 4a, dargestellt. Sie-triggern ihrerseits jeweils einen Zeilendiskriminatorimpulsgenerator 5 und einen Zeilenselektorimpulsgenerator 6 bzw. einen Bilddiskriminatorimpulsgenerator 7 und einen Bildselektorimpulsgenerator 8.

Die Zeilenselektorimpulse und die Bildselektorimpulse sind an eine Koinzidenzschaltung 9 angelegt, die beim zeitlichen Zusammentreffen dieser Impulse ausgangsseitig die in Fig. 3, Leitung 9 a, dargestellten Koinzidenzimpulse an einen sogenannten Zeitselektor 10 abgibt. Während der Dauer eines jeden Koinzidenzimpulses verbindet der Zeitselektor 10 den Bildgeber 1 mit einem Amplituden-Diskriminaior 11 und einem Amplitudenselektor 12 sowie über einen Schalter 13 mit dem Fernsehgerät 2. Das Äüsgangssignal. des Zeitselektors (Fig. 4, Leitung 10a) ergibt auf dem Bildschirm den in Fig. 1 zu sehenden BiIdaüsschnitt. Durch Einstellung der Breite der Zeilen- und Bildselektorimpulse (Fig. 3, Leitungen 6a und 8 a) wird die Größe des Bildausschnittes festgelegt.

Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß durch eine Änderung der Verzögerungszeit der Zeilen- bzw. Bildverzögerung 3 bzw. 4 der Bildausschnitt in horizontaler bzw. vertikaler Richtung verschoben wird, die Größe des Bildausschnittes dabei aber erhalten bleibt.

Der Amplitudendiskriminator 11, an dessen Eingang während der Dauer der Koinzidenzimpulse das in Fig. 4, Leitung 10a, dargestellte, vom Bildgeber

ίο gelieferte Signal anliegt, macht die in F i g. 4 bei diesem Signal eingezeichnete Schwelle 2 zur Nullinie für die Leitung 11a und sperrt das Signal in den in der F i g. 1 mit I und IV bezeichneten Bereichen. Das auf der Leitung 11a auftretende beschnittene und bezüglich der Nullinie positive und negative Anteile aufweisende Signal wird in einer dem Amplitudendiskriminator 11 nachgeschalteten Speicherschaltung 14 mit einer vorgegebenen Übertragungsfunktion integriert. Diese Speicherschaltung 14 liefert bei Ungleichheit des Inhaltes der negativen und positiven Signalanteile eine Gleichspannung, die die Lage der drei Schwellen beim Signal aus Fig. 4, Leitung 10a, derart verschiebt, daß die positiven und negativen Anteile dieses Signals wieder gleich werden. Dadurch erhält man praktisch eine automatische Nachführung des auf dem Bildschirm zur Darstellung gelangenden Graupegelbereiches bei einer langsamen Änderung des mittleren Graupegels des zu verfolgenden Gegenstandes. ■ ' .

Befindet sich die Amplitude des von dem Zeitselektor 10 gelieferten Bildsignals innerhalb der - in Fig. 4, Leitung 10α, eingezeichneten drei Schwellen 1, 2, 3, so liegt an der Ausgangsleitung 12a des Amplitudenselektors 12 ein Impuls an. Dieser kann nur während des von dem Zeitselektor 10 gelieferten Bildsignals auftreten und hat eine feste Amplitude sowie die gleiche oder eine kleinere Breite als dieses.

Nach Ablauf der halben zeitlichen Breite eines

jeden, während der Dauer des Bildselektorimpulses auftretenden Zeitselektorimpulses oder, was dem entspricht, nach Ablauf der Hälfte der Zeit, die zum

, Schreiben einer Zeile in ^?dem Büdausschnitt benötigt wird, bewirkt ein zu den Schaltmitteln für die horizontale Nachführung des Bildausschnittes gehörender

.Zeilendiskriminator 15, daß die Auswertung des von dem Amplitudenselektor 12 gelieferten Impulses (Fig. 4, Leitung 12a) statt vorher positiv, jetzt negativ durch eine dem Zeilendiskriminator 15 nachgeschaltete, eine bestimmte Übertragungsfunktion ergebende Speicherschaltung 16 bewertet wird. Zu diesem Zweck werden dem Zeilendiskriminator 15 der Zeilendiskriminatorirnpuls und der Bildselektorimpuls, über eine Und-Schaltung 17 verknüpft, zugeführt. Wenn die zeitliche Mitte des von dem Am-

plitudenselektor 12 an die Leitung 12 a abgegebenen Impulses nicht mit dieser sprunghaften Bewertungsänderung zusammenfällt, so entsteht am Ausgang der vorgenannten Speicherschaltung 16 eine Regelspannung, die zu der Zeilenverzögerung 3 zurückgeführt

ist und diese so weit vor- oder nachstellt, bis die Mittellinien der von dem Amplitudenselektor 12 und von dem Zeiienselektorimpulsgenerator gelieferten Impulse zusammenfallen. Hierdurch wird der BiIdausschhitt dem sich horizontal über den Bildschirm bewegenden Bild des zu verfolgenden Gegenstandes nachgeführt.

Nach Ablauf der halben zeitlichen Breite des Bildselektorimpulses, d. h. nach Ablauf der Hälfte der

Zeit, die verstreicht, bis alle Zeilen in den Bildausschnitt geschrieben sind, bewirkt ein zu den Schaltmitteln für die vertikale Nachführung des Bildausschnittes gehörender Bilddiskriminator 18, daß die Auswertung der während der Dauer des Bildselektorimpulses von dem Amplitudenselektor gelieferten Impulse statt vorher positiv jetzt negativ durch eine dem Bilddiskriminator 18 nachgeschaltete, eine bestimmte Übertragungsfunktion ergebende Speicherschaltung 19 bewertet wird. Zu diesem Zweck werden dem Bilddiskriminator 18 der Zeilenselektor-. impuls (F i g. 3, Leitung 6 a) und der Bilddiskriminatorimpuls (Fig. 3, Leitung 7 a), über eine Und-Schaltung 20 verknüpft, zugeführt. Wenn das Integral der von dem Amplitudenselektor 12 während der ersten Hälfte des Bildselektorimpulses abgegebenen Impulse kleiner oder größer ist als das Integral der von dem Amplitudenselektor 12 während der zweiten Hälfte des Bildselektorimpulses abgegebenen Impulse, so entsteht am Ausgang der vorgenannten Schaltung 19 eine Regelspannung, die zu der Bildverzögerung 4 zurückgeführt ist und diese so weit vor- oder nachstellt, bis diese Integrale wieder gleich groß sind. Hierdurch wird der Bildausschnitt dem sich vertikal über den Bildschirm bewegenden Bild des zu verfolgenden Gegenstandes nachgeführt.

Die vorgenannten Regelspannungen, die am Ausgang der Speicherschaltungen 16 und 19 zur Verfügung stehen, können auch dafür hergenommen werden, den Bildgeber zu verschwenken. In diesem Fall würde der Bildausschnitt auf dem Bildschirm stehenbleiben und das Bild des zu verfolgenden Gegenstandes durch Nachführen der Fernsehaufnahmekamera in der Mitte des Bildausschnittes gehalten werden. Die beiden Regel spannungen sind aber auch dafür zu benutzen, eine Einrichtung zu steuern, die den Gegenstand selbst im Sinne einer Nachführung lenkt. Auch hier würden der Bildausschnitt auf dem Bildschirm, stehenbleiben und der Gegenstand in dessen Mitte gehalten werden. ·

Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung bewirkt praktisch, daß der dargestellte Bildausschnitt in die in F i g. 1 mit I bis IV bezichneten Segmente unterteilt wird und die Bildinhalte der vier Segmente gemessen und zur Durchführung der Korrekturver-Schiebungen Δ Z und Δ Β gemäß den Gleichungen

AZ =

AB =

(II -1) + (III - IV)
I + II + III + IV

(II - III) + (I - IV)
I + II + III + IV

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zueinander in Beziehung gesetzt werden. .

Die bei Beginn der Verfolgung oder Lenkung erforderliche manuelle Einstellung der Lage des Bildausschnittes auf dem Bildschirm und des in dem Bildausschnitt dargestellten Graupegelbereiches geschieht dadurch, daß den Speicherschaltungen 14,16 und 19 jeweils eine diese vorspannende Gleichspannung mit Hilfe von Potentiometern 21, 22 und 23 zugeführt ist. Durch Änderung der an den Potentiometern 21 und 23 eingestellten Gleichspannungen ist es möglich, den Bildausschnitt bei konstanter Höhe und Breite horizontal und vertikal über den Bildschirm zu verschieben, bis das Bild des zu verfolgenden Gegenstandes im Bildausschnitt erscheint. Zu diesem Zeitpunkt wird der Schalter 13 geöffnet. Dann wird durch Änderung der Gleichspannung mit Hilfe des Potentiometers 22 die ganze Skala der auf dem Bildschirm in dem Bildausschnitt darstellbaren Grauwerte durchlaufen. Hierbei wird eine Einstellung erreicht, bei der der zu verfolgende Gegenstand, vom Hintergrund scharf abgehoben und durch eine plötzliche Helligkeitsänderung angezeigt, im Bildausschnitt zu sehen ist.

Das Verfahren und eine danach arbeitende Schaltungsanordnung können zur automatischen Verfolgung eines bewegten Gegenstandes entweder mit feststehender Kamera und dem Bild des Gegenstandes nachgeführtem Bildausschnitt oder mit dem Gegenstand nachgeführter Kamera und feststehendem Bildausschnitt oder mit feststehender Kamera, feststehendem Bildausschnitt und nachgeführtem Gegenstand benutzt werden und beispielsweise bei der Ansteuerung eines Bodenzieles aus der Luft, beim Raumfahrt-Rendezvous-Manöver, bei der Bahnermittlung eines Raumflugkörpers, beim Ermitteln der Position eines Flugkörpers durch Anpeilen von Sternen usw. Anwendung finden, wobei die an den Ausgängen der Speicherschaltungen anstehenden Signale weiteren an sich bekannten elektronischen oder mechanischen Einrichtungen zuzuführen sind.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verfolgen oder Lenken eines Gegenstandes mit Hilfe eines elektronischen Bildgebers und einer elektronischen Bildwiedergabeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß

1. der Position eines nur den Gegenstand und seine nächste Umgebung enthaltenden Bildausschnittes entsprechende Lagesignale für den Bildausschnitt nach Höhe und Seite von Hand eingestellt werden und gespeichert werden;

2. ein dem Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt mit hoher Genauigkeit entsprechendes Signal ebenfalls von Hand eingestellt und gespeichert wird;

3. die Speicher von den Händeinstellmitteln getrennt werden;

4. für die Lage und den Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt kennzeichnende weitere Signale fortlaufend gebildet werden und mit den zugeordneten Speicherwerten verglichen werden;

5. die durch Signalvergleich ermittelten Abweichungen durch Korrektur der gespeicherten Werte ausgeregelt werden;

6. die korrigierten und gespeicherten Positionssignale zur Verfolgung oder Lenkung des Gegenstandes benutzt werden.

2. Elektronische Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, umfassend einen elektronischen Bildgeber mit einer daran angeschlossenen Bildwiedergabeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß in eine den Bildgeber (1) und die Bildwiedergabeeinrichtung (2) verbindende Signalleitung (10 α; Videbsignalleitung) ein Zeitselektor (10) und ein Amplitudenselektor (12) in Kaskade geschaltet sind, von denen der Zeitselektor (10) aus Impulsgene-

ratoren eines Zeilenselektors (6) und eines BiIdselektors (7) über eine Koinzidenzschaltung (9) angesteuert ist und die Impulsgeneratoren (6 und 8) über Verzögerungsschaltungen (3 und 4) aus Speicherschaltungen (16 und 19) gesteuert sind, in denen mit Hilfe von abschaltbaren Potentiometern (21 und 23) der Lage des Bildausschnittes im Bild entsprechende Signale eingespeichert sind und von denen der Amplitudenselektor aus einer weiteren Speicherschaltung (14) angesteuert ist, in der mit hoher Genauigkeit ein dem Grauwert des Gegenstandes im Bildausschnitt entsprechendes Signal mit Hilfe eines weiteren abschaltbaren Potentiometers (22) eingegeben ist, wobei die aus den Speicherschaltungen (16 und 19) den Verzögerungsschaltungen (3 und 4) zugeführten Signale zum Verfolgen oder Lenken eines Gegenstandes zur Verfügung stehen. .

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Zeilenverzögerungsschaltung (3) gebildete Signal über einen Zeilendiskriminator-Impulsgenerator (5) einer Koinzidenzschaltung (17) zugeführt ist, in die ferner das vom Bildselektor-Impulsgenerator (8) der Koinzidenzschaltung (9) zugeführte Signal eingegeben ist und in analoger Anordnung einer weiteren Koinzidenzschaltung (20) das in der Bildverzögerungsschaltung (4) gebildete Signal über einen Bilddiskriminator-Impulsgenerator (7) zugeführt ist, in die auch das im Zeilenselektor-Impulsgenerator (6) gebildete Signal eingegeben ist und daß ferner die Ausgänge der beiden Koinzidenzschaltungen (17 und 20) über Diskriminatoren (15 und 18), denen ferner das vor oder hinter dem Amplitudenselektor (12) anstehende Signal zugeführt ist, an die Speicherschaltung (16 bzw. 19) angeschlossen sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 409 624/5