DE2155032C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erfassen und Verfolgen von Bildkontrasten durch Abtasten eines Blickfeldes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen und Verfolgen von Bildkontrasten durch Abtasten eines Blickfeldes und Erzeugen eines das Blickfeld elektronisch reproduzierenden Bildsignals, wobei einem ein erkennbares Objekt enthaltenden Blickfiddausschnitt ein BiMsigrtalmreschnitt zugeordnet wird, aas dem mittels eines Vergleichs des

S Objektes mit dem Blickfeldhiniergrund ein den Kontrast des Objektes enthaltendes Objektsignal gewonnen wird, worauf das Objektsignal entsprechend einer Zweiteilung des Bildsignalansschnittes ia vorzugsweise horizontaler bzw. vertikaler Richtung unterteilt

ίο wird und die so erhaltenen Objektsignalteile zur Lagefehlererfassung und Nachführung des Bildsignalausschnittes entsprechend der Objektbewegung miteinander verglichen werden.

Bildkontrastverfolger verwendet man immer dann, wenn man automatisch die relative Winkellage eines stationären oder bewegten Objektes gegenüber einer Bezugsrichtung bestimmen will.

Genau wie bei visueller Entdeckung und Beobachtung eines Objektes muß auch bei der Bildkontrast-Verfolgung das Objekt ausreichend gegenüber dem Hintergrund kontrastieren. Ein nur wenig gegenüber einem Hintergrund kontrastierendes Objekt ist vor allem, wenn am Hintergrund andere Objekte ähnlicher Größe und Helligkeit vorhanden sind, besonders schwierig zu erkennen und zu verfolgen.

So ist die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe die Beantwortung der Fragen, wie man ein Bildsignal so behandeln kann, daß wertvolle Teilinformationen nicht verlorengehen und der Kontrast des Objektes gegenüber dem Hintergrund optimal herausgebracht wird, und wie man das Signal so filtern kann, daß das elektronische Rauschen minimal bleibt.

So wird in der Tat die äußerste Grenze für die

Kleinheit der Zielkonstraste, die man noch verfolgen kann, festgelegt durch elektronische Störsignale, die unvermeidbar am Objektsigna] haften.

Nach dem bisher bekannten Stand der Technik (US-PS 3 341 653, DT-OS 1 448 544) werden die Signale in Kontrastverfolgern zweistufig verarbeitet. Es erfolgt zunächst eine Definition der Ränder des Objektes und/oder eine Digitalisation der Amplitude in einer endlichen Anzahl von Schritten. Anschließend wird dann die Lage des Zielimpulses im Blickfeld bestimmt durch Feststellung der Beziehung zwischen dem Auftreten des Zielimpulses und der Abtastsignale des Bildrohres. Eine solche Signalverarbeitung hat den Nachteil, daß man die Ränder des Zieles nicht genau definieren kann, so daß sich Fehler in der Bestimmung der Ziellage ergeben und daß die Stör-Signalunterdrückung nicht optimal sein kann, da der erstgenannte Verfahrensschritt nicht-linear ist und mit digitalisierten oder quantifizierten Bildsignalen gearbeitet wird. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Signalverarbeitungsverfahren liegt darin, daß die meisten zu verfolgenden Objekte innere Helligkeitsschwankungen haben, die möglicherweise durchaus als »kein Objekt« klassifiziert werden können. Hierin liegt eine erhebliche Unsicherheit bei einigen zu verfolgenden Objekten.

Um die vorerwähnten Nachteile auszuschalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, bei dem einleitend genannten Verfahren das Objektsignal in analoger Form zu gewinnen und weiterzuleiten, so daß der gesamte Informationsgehalt des Bildsignaläusschnittes

bei der Lage-Fehlererfassung zur Verfügung steht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren werden Störsi^ale optimal unterdrückt und es können keine störenden Einflüsse durch Quantifizieren oder Digitali-

sieren auftreten. Ferner wird gemäß der Erfindung der Abtastpunkt, d. h. der Nachführausgleica durch lineare Bewertung der Analogsignale bestimmt. Bei Objekten mit inneren Helligkeitsschwankungen hat dies zur Folge, daß der Abtastpunkt stets in der Nähe von dem Teil verbleibt, der das größte Signal erzeugt. So wird bei den meisten natürlichen Objektarten ein sehr stabiler und genauer Tastpunkt definiert.

Weitere Merkmale der Erfin Jung sind in den Unteransprüchen dargelegt.

In der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen wird eii.e bevorzugte Kusführungsform der Erfindung beispielsweise veranschaulicht. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Bildkontrast-Verfolgers und

F i g. 2 ein Blockschaltbild der Signalverarbeitung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Fig. i zeigt einen Sucher 2, der in einem Blickfeld 1 arbeitet. Der Sucher 2, der beispielsweise eine ao Fernsehkamera ist, erzeugt ein Bi'dsignal, das auf elektronischem Wege über ein Signalverarbeitungsgerät 3 den Inhalt des Blickfeldes 1 wiedergibt. Das Signalvcrarbeitungsgerät 3 wird nachfolgend noch ausführlicher in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. Die Fernsehkamera 2 ist elektronisch an einen Monitor 4 angeschlossen,dessen Bildschirms entsprechend dem Bildsignal ein sichtbares Bild des Blickfeldes wiedergibt. Im Blickfeld der Fernsehkamera befindet sich ein Objekt 6, welches sich vom umgebenden Hintergrund abhebt. Dieses Objekt erzeugt auf dem Bildschirm S ein Bild 7.

Speziell für diesen Zweck vorgesehene Schaltkreise im Signalverarbeitungsgerät 3 definieren ein elektronisches Fenster, welches einen Ausschnitt des Bück- feldes begrenzt. Der Rahmen des elektronischen Fensters ist auf dem Bildschirm S durch die Endpunkte von Lichtstreifen 8 festgelegt, die in Art eines Justierkreuzes verlaufen. Die Lichtstreifen werden elektronisch im Signalverarbeitungsgerät erzeugt. Das elektronische Fenster läßt sich manuell in jede erforderliche Lage auf dem Bildschirm 5 einstellen. Hierzu dient das mit dem Signalverarbeitungsgerät verbundene Steuergerät 9.

Das Signalverarbeitungsgerät 3 hat die Aufgabe, das Objekt 6 mit Hilfe des Bildsignals automatisch zu verfolgen. Beim Verfolgen wird das Bildsignal innerhalb des elektronischen Fensters auf das Hintergrundbildsignal in begrenzten Ausschnitten des Blickfeldes bezogen. Zu diesem Zweck enthält das Signalverarbeitungsgerät einen Abtaster für den Objektkontrast, d. h., es wird das Bildsignal im elektronischen Fenster abgetastet und mit dem Bildsignal außerhalb des Fensters verglichen.

Vor der Kontrastverfolgung muß zunächst einmal das Objekt 6 manuell eingefangen werden. Dies geschieht nach Entdeckung des Objektbildes 7 auf dem Bildschirm S durch Verschieben des elektronischen Fensters über das Objekt mit dem Steuergerät 9. Anschließend wird ein Verriegelungsbefehl gegeben. Wenn das Objekt ausreichend kontrastiert, um eingefangen zu bleiben, übernimmt der Kontrastverfolger die Verfolgung, so daß das Fenster dem Bild 7 auf dem Schirm 5 folgt.

Bei der Verfolgung erhält das Signalverarbeitungsgerät 3 Signale für die Lage des Objektes 6 gegenüber der optischen Achse der Fernsehkamera. Mit diesen Signalen kann man die Fernsehkamera 2 so steuern, daß deren optische Achse kontinuierlich zum Objekt zeigt. Hierbei ergibt sich darm, daß das Bild in der Mitte des Bildschirmes 5 encheint.

Die Fernsehkamera 2 verwandelt die Bildhelligkeit im Blickfeld in ein Bildsignal, d. h. eine Spannung, deren Größe sich mit der Heiligkeit ändert. Mit dieser Spannung werden entsprechend den CCIR-Normen Bild- und Zeilensynchronisierimpulse erzeugt. Das Bildsignal wird nachfolgend mit U_v bezeichnet.

Wie F i g. 2 zeigt, gelangt das Bildsignal U_v vom Sucher 2 über eine Leitung 10 zu einer Elektronikschaltung 11, die aus dem B-ldsignal V_v ein Signal U_L gewinnt, das nur Informationen bezüglich des Objektes 6 enthält Mit dem Objektsignul U_L ist das Objekt auf den Signalpegel des Hintergrundes bezogen, so daß für die Verfolgung Fehlersignale errechnet werden können, die nicht durch zufällige Störsignale oder durch örtliche Änderungen des Hintergrundes beeinflußt werden.

Der Ausgang der Elektronikschaltung 11 speist einen Fehlersignalrechner 12, der in horizontaler und vertikaler Richtung Fehlersignale errechnet, die in den beiden genannten Richtungen der winkelmäßigen Abweichung des Objektes von der Fenstermitte proportional sind. Die Schaltung ist mit einem in den Zeichnungen nicht dargestellten Verstellgerät des Suchers 2 und mit einem Verstctlgerät für die Lage des Objektfensters verbunden.

Zur Elektronikschaltung 11 gehört ein Bildsignalverstärker 13, der mit einem Signalverarbeitungskreis 14 verbunden ist. Der Kreis 14 tastet den Hintergrundsignalpegel ab, um den Pegel des Bildsignals darauf zu beziehen und eine manuelle oder automatische Auswahl für die Art der Bildverfolgung zu ermöglichen.

Das Signal IZ₁, wird im Bildsignalverstärker 13 verstärkt, der zwecks kontinuierlicher Signalverarbeitung im Fehlersignal rechner 12 mit einer automatischen Verstärkungsregelung (AVR) versehen ist. Das AVR-System ist über einen Rückkopplungskreis 15 gesteuert, der vom Ausgang des Signalverarbeitungskrtises 14 zum Verstärker 13 zurückführt. Der Verstärkungsfaktor des Bildsignalverstärkers 13 wird über den Rückkopnlungspfad verändert.

Der AVR-Regelkreis 15 hält die Amplitude des Objektsignals U_L konstant und unabhängig von der Größe des Kontrastes. Die AVR-Regelung gibt auch die Möglichkeit, den Signalrechner 12 mit relativ kleinem Energiebedarf zu betreiben;so können einerseits höhere Kosten und andererseits weitere Schaltungsteile eingespart werden.

Ein übliches Verfahren zur Erzeugung ausreichender Signalstärken liegt darin, die Signalamplituden oberhalb eines bestimmten Sigmlniveaus zu kappen, um auf diese Weise eine Art Normierung zu erhalten. Dieses Beschneiden führt aber zum Verlust wertvoller detaillierter Informationen aus dem Bildsignal und zusätzlich zu einem schlechteren Signal/Rausch-Verhältnis.

Diese Nachteile werden durch die AVR-Regelung für das analoge Bildsignal V₁ gemäß der vorliegenden Erfindung vermieden.

Der Rückkopplungskreis 15 für die AVR-Regelung des Bildsignalverstärkers 13 besteht aus einem Scheitelwcrt-Gleichrichter 16, der mit einem integrator 17 in Reihe geschaltet ist. Zwischen dem Ausgang des Schcitelwertgleichrichters 16 und dem Eingang des Integrators befindet sich ein Summierungspunkt 18,

an dem ein Bezugssignal REF vom Ausgangssignal des Scheitelwerl-Gleichrichters abgezogen wird. Die dabei entstehende Differenz wird in den Integrierkreis 17 eingespeist, dessen Ausgangssignal den Verstärkungsfaktor des Bildsignalverstärkers 13 steuert. Wenn die Amplitude des Signals U_L größer odar kleiner wird, wird der Verstärkungsfaktor nach unten bzw. nach oben geregelt. So kann die Amplitude des Objektsignals U_L bei noch vorhandener intakter ausführlicher Information ohne Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses der nachfolgenden Signalverarbeitung angepaßt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahrea zum Erfassen end Verfolgen von Bildkontrasten durch Abtasten eines Blickfeldes aod Erzeugen eines das Blickfeld elektronisch reproduzierenden Bildsignals, wobei einem ein erkennbares Objekt enthaltenden Blickfeldausschnitt ein Bildsignalausschnitt zugeordnet wird, aus dem mittels eines Vergleichs des Objektes mit dem Blickfeldhintergrund ein den Kontrast des Objektes enthaltendes Objektsignal gewonnen wird, worauf das Objektsignat entsprechend einer Zweiteilung des Bildsignalausschnittes in vorzugsweise horizontaler bzw. vertikaler Richtung unterteilt wird und die so erhaltenen Objektsignalteile zur Lagefehlererfassung und Nachführung des Bildsignalausschnittes entsprechend der Objektbewegung miteinander verglichen werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektsignal in analoger Form gewonnen und weitergeleitet wird, so daß der gesamte Informationsgehalt des Bildsignalausschnittes bei der Lagefehlererfassung zur Verfügung steht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektsignal vor der Zweiteilung und vor der Lagefehlererfassung mit Automatikregelung so verstärkt wird, daß das Objektsignal auf einem gewünschten Signalniveau verbleibt.

3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einem Bildabtaster, dessen Bildsignal das abgetastete Blickfeld elektronisch wiedergibt, einem das Bildsignal empfangenden Signalverarbeitungsgerät, das für einen Ausschnitt des abgetasteten Blickfeldes einen elektronischen Objekt-Ausschnitt definiert, um die dort vorhandenen Teile des Bildsignals abzutrennen, einer Vorrichtung, die dtn Objekt-Ausschnitt auf ein ausgewähltes Objekt im Blickfeld richtet und dort festsetzt, und einer Schaltung, die das Objektsignal unterteilt, um Signalvergleiche zwischen verschiedenen Teilen des Objekt-Ausschnittes zu ermöglichen und Lagefehler des Objekt-Ausschnittes zu erfassen, mit denen der letztere dem Objekt folgend gesteuert werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsgerät (3) der Fehlererfassungsschaltung ein Analug-Signal übermittelt, das die im Bildsignal des Suchers (2) vorhandenen und für den Kontrast des Objektes repräsentativen Signalschwankungen im wesentlichen ungeändert enthält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalvei arbeitungsgerät (3) in einem Rückkopplungskreis (15) einen Regelverstärker (13) enthält, in dem das Objekt-Signal vor der Lagefehlererfassung zurückgeführt und so verstärkt wird,daß das Objektsignal auf einem ge-' I'¹ sehten Signalniveau bleibt