RU167844U1

RU167844U1 - Устройство автоматической коррекции резкости изображения

Info

Publication number: RU167844U1
Application number: RU2016134581U
Authority: RU
Inventors: Александр Викторович Кошелев; Владимир Иванович Шлычков; Григорий Николаевич Маркушин; Дмитрий Евгеньевич Артюхин; Елена Захаровна Донгак; Алексей Николаевич Фархуллин; Андрей Петрович Гончаров
Priority date: 2016-08-23
Filing date: 2016-08-23
Publication date: 2017-01-10

Abstract

Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована для автоматической коррекции резкости принимаемых оптических изображений в обзорно-визирных телевизионных системах, которые размещаются на подвижных носителях.Устройство содержит оптически связанные объектив 1 с подвижным фокусирующим оптическим элементом 2, ПЗС-матрицу 3 телевизионной камеры, расположенную в задней фокальной плоскости объектива 1, усилитель видеосигнала 4, соединенный с первым входом процессора 5, второй вход которого соединен с резистором обратной связи R6, а выход процессора 5 подключен ко второму входу суммирующего усилителя 7, соединенного своим выходом через усилитель мощности 8 с электродвигателем 9 привода фокусировки, а первый вход суммирующего усилителя 7 соединен с выходом вычитающего усилителя 10, первый вход которого подключен к резистору обратной связи R6, а второй вход соединен с выходом контроллера 11, вход которого соединен с датчиком температуры 12.Технической особенностью данного устройства является предварительная калибровка телевизионного блока, позволяющая практически мгновенно получать наилучшее разрешение.Устройство автоматической фокусировки может быть выполнено в цифровом варианте, в котором отсутствуют аналоговые операции сложения и вычитания.2 ил.

Description

Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована для автоматической коррекции резкости принимаемых оптических изображений в обзорно-визирных телевизионных системах, которые размещаются на подвижных носителях.

Работа таких телевизионных систем проходит в условиях непрерывных механических вибраций и температурных воздействий от минус 60°С до плюс 60°С, следствием которых является деформация корпуса телевизионного блока, дефокусировка изображения и снижение дальностей обнаружения и распознавания.

Известно устройство автоматической фокусировки (см. патент RU №73577, опубл. 20.05.2008, H04N 5/232), которое содержит приемный объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу телевизионной камеры, расположенную в задней фокальной плоскости объектива для приема и преобразования оптического изображения в видеосигнал с выхода усилителя видеосигнала, который подключен к первому входу процессора, ко второму входу подключен переменный резистор обратной связи кинематически связанный с приводом фокусирующего элемента.

Работа устройства состоит в измерении коэффициента резкости изображения

, которая количественно оценивается, как отношение высокочастотных

спектральных составляющих в видеосигнале к величине спектральных составляющих

на низких пространственных частотах. Уровни спектральных составляющих вычисляются сигнальным процессором с использованием известных ортогональных преобразований: Фурье, Адамара.

Величина резкости K_P изображения рассчитывается при перемещении привода фокусирующего элемента с шагом Δ во всем диапазоне сканирования от -δ до +δ, превышающем глубину резкости 2δ. Из зафиксированных значений величин резкости изображения K_P выбирается номер шага Δ для которого

К недостаткам устройства следует отнести большое время, составляющее ~1 мин., фокусировки изображения и размытие изображения при установке фокусирующего оптического элемента на границы зоны сканирования, которые превышают глубину резкости изображения ±δ, что затрудняет работу оператора.

Следует также отметить, зависимость величины резкости K_P от статистических характеристик фона. В частности, для однородных, гладких поверхностей характерно отсутствие высокочастотных составляющих в пространственно-частотном спектре и K_P<<1 для всех положений привода фокусирующего элемента, что не позволяет выбрать номер шага, где коэффициент резкости

максимален.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в сокращении времени коррекции резкости изображения во всех условиях эксплуатации и повышение надежности работы при наблюдении объектов, расположенных на произвольных фонах, в том числе, однородных, «гладких».

Техническим результатом заявляемой полезной модели является получение сфокусированного резкого изображения в условиях непрерывных механических вибраций и изменений температуры.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство автоматической коррекции резкости изображения содержит объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу телевизионной камеры, расположенную в фокальной плоскости объектива, процессор, усилитель мощности, электродвигатель привода фокусировки, кинематически связанный с подвижным оптическим элементом и резистором обратной связи.

В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены контроллер, датчик температуры, суммирующий и вычитающий усилители, причем вход контроллера связан с датчиком температуры, а выход контроллера соединен со вторым входом вычитающего усилителя, первый вход которого соединен с резистором обратной связи и вторым входом процессора, а выход вычитающего усилителя соединен с первым входом суммирующего усилителя, а его второй вход подключен к выходу сигнального процессора, выход суммирующего усилителя через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.

Следует отметить, что технической особенностью заявленного устройства является предварительная калибровка телевизионного (ТВ) блока. Предварительная калибровка ТВ блока позволяет установить привод фокусирующего элемента в объективе ТВ блока в положение соответствующее наибольшему разрешению при включении ТВ блока, практически, мгновенно. При дальнейшей работе уточнение положения привода фокусировки проводится относительно выбранной контроллером точки предварительной калибровки по температуре. При оптимизации положения фокусирующего элемента измеряется коэффициент резкости K_p для последовательности текущих оптических изображений, из которых выбирается изображение с наибольшим коэффициентом K_pi и, следовательно, количество высокочастотных составляющих максимально, что повышает вероятность обнаружения и распознавания небольших по размеру объектов и способствует увеличению дальностей обнаружения и распознавания.

Следует также отметить, что устройство автоматической фокусировки может быть выполнено в цифровом варианте, в котором отсутствуют аналоговые операции сложения и вычитания.

При этом первый вход контроллера соединен с ПЗС-матрицей телевизионной (ТВ) камеры, второй вход контроллера соединен с резистором обратной связи, третий вход контроллера соединен с датчиком температуры, а выход контроллера через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.

Сущность полезной модели поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства автоматической фокусировки.

На фиг. 2 цифровой вариант устройства автоматической фокусировки.

Устройство фиг. 1 содержит оптически связанные объектив 1 с подвижным фокусирующим оптическим элементом 2, ПЗС-матрицу 3 телевизионной (ТВ) камеры, расположенную в задней фокальной плоскости объектива 1, усилитель видеосигнала 4, соединенный с первым входом процессора 5, второй вход которого соединен с резистором обратной связи R_OC-PF 6, а выход процессора 5 подключен ко второму входу суммирующего усилителя 7, соединенного своим выходом через усилитель мощности 8 с электродвигателем 9 привода фокусировки, а первый вход суммирующего усилителя 7 соединен с выходом вычитающего усилителя 10, первый вход которого подключен к резистору обратной связи R_OC-PF 6, а второй вход соединен с выходом контроллера 11, вход которого соединен с датчиком температуры 12.

Процессор 5 содержит АЦП1 13 для оцифровки элементов изображения и АЦП2 14 для оцифровки напряжения обратной связи U_OC-PF от резистора R_OC-PF 6. Сигнальный процессор 15 DSP предназначен для преобразования оцифрованного изображения ƒ_i,j в его пространственно-частотный спектр F_p,q, расчетов коэффициентов резкости K_p и формирования составляющей управляющего напряжения фокусировки ±ΔU_F, что позволяет выбрать изображение с наибольшим величиной высокочастотных составляющих в F_p,q или коэффициентом резкости K_p.

Контроллер 11 содержит АЦП16 для оцифровки значений температур Т°С от температурного датчика 12, запоминающего устройства 17, для хранения значений калибровочных температур Т[n] и соответствующих им величин напряжений обратной связи U_OC[n], устанавливаемых при калибровке переменным резистором R_OC-PF, при которых обеспечивается максимальное разрешение в принимаемом оптическом изображении.

Для калибровки телевизионный (ТВ) блок устанавливается соосно с коллиматором, который содержит тестовую испытательную таблицу в климатической камере, температура в которой может изменяться дискретно от -60°С до +60°С с шагом ΔT. При калибровке фиксируются значения U_OC-PF, при которых разрешение ТВ блока будет максимальным при установленной в климатической камере температуре. По результатам калибровки формируются массивы значений калибровочных точек по температуре Т[n] и соответствующие им значения напряжений U_OC-PF от потенциометрического датчика 6, которые запоминаются U_OC[n] в контроллере 11. Составляющая управляющего напряжения фокусировки по температуре U_РТ на выходе контроллера 11 позволяет интерполировать ее значение, если измеренная датчиком 12 температура не соответствует точкам калибровки и находится в промежутке между точками калибровки T_n-1<T<T_n, то в этом случае управляющее напряжение U_РТ рассчитывается вычислителем 18 в соответствие с соотношением,

, где: Т_n и Т_n-1 точки калибровки по температуре, U_n и U_n-1 напряжения, соответствующие максимальному разрешению в изображении, соответственно, для точек T_n, T_n-1.

Автоматическая коррекция резкости, принимаемого объективом 1 оптического изображения, выполняется в следующей последовательности. При включении питания датчик 12 измеряет текущую температуру T_i корпуса ТВ блока. Аналоговый сигнал от датчика оцифровывается АЦП 16. Цифровой код Т[n], соответствующий текущей температуре корпуса ТВ блока T_i, считывается из запоминающего устройства 17 и запоминается на этапе калибровки, как цифровой код U_OC[n] для температуры T_i. Управляющее напряжение U_upr через усилитель мощности 8 поступает на исполнительный двигатель 9 и формируется, как U_upr=K₁(±ΔU_F)+K₂(U_РТ-U_OC-R), где K₁ и K₂ коэффициенты усиления суммирующего 7 и вычитающего 10 усилителей. U_PT - управляющее напряжение, сформированное ЦАП19, U_OC-R - напряжение обратной связи от R_OC-PF резистора 6, ±ΔU_F - напряжение подфокусировки, формируемое в процессоре 5 по результатам измерений коэффициента резкости K_р. Напряжение обратной связи поступает на первый вход вычитающего усилителя 10 и на второй вход процессора 5 для оцифровки АЦП2 14.

На фиг. 2 приведен цифровой вариант устройства коррекции резкости изображения, в котором вычисляется управляющее напряжение U_upr, поступающее на исполнительный двигатель 9. Результат вычисления управляющего напряжения фокусировки U_upr по температуре U_PT и коэффициент резкости K_p выполняются в цифре контроллером 20.

Работа устройства коррекции резкости изображения осуществляется в следующей последовательности.

На начальном этапе фокусировки напряжение ±ΔU_F, формируемое в процессоре 5 по результатам измерений коэффициента резкости K_p, равно нулю, а управляющее напряжение, поступающее на исполнительный двигатель 9 U_urp=K₂(U_PT-U_OC-R), перемещает фокусирующий элемент 2 до тех пор, пока U_PT=U_OC-R, что компенсирует температурную составляющую в ТВ блоке и обеспечивает разрешение в ТВ блоке при произвольном изменении температуры.

Кроме температурной составляющей на разрешение принимаемого оптического изображения влияют механические воздействия, расстояние до объекта наблюдения, состояние атмосферы. Для проверки и оптимизации положения фокусирующего элемента 2 текущее изображение ƒ(x, y), поступающее от ПЗС-матрицы 3 телевизионной камеры через усилитель видеосигнала 4, оцифровывается ƒ_i,j АЦП1 13 в процессоре 5. Сигнальный процессор 15 рассчитывает коэффициент резкости K_pT для положения привода фокусирующего элемента 2, при котором компенсируется воздействие температурной составляющей на корпус ТВ блока. Сформированное сигнальным процессором 15 управляющее напряжение - ΔU_F, проходя по цепи через суммирующий усилитель 7, усилитель мощности 8 и электродвигатель 9, усиливается и смещает элемент 2 на шаг - Δ ближе к ПЗС матрице. Для данного шага рассчитывается коэффициент резкости K_pi, где i - номер шага, который по времени соответствует приему и вводу в сигнальный процессор 15 текущего кадра ТВ изображения. Количество шагов составляет 1<i<3. По результатам смещений в направлении к ПЗС матрице и вычислений K_pi выбирается шаг с максимальным значением K_pimax>K_pT. При условии, когда значение шага смещения элемента 2 в направлении приближения к ПЗС матрице составляет K_pimax<K_pT, тогда поиск оптимального положения фокусирующего элемента 2 продолжается в противоположном от ПЗС матрицы направлении, т.е. удаляя фокусирующий элемент 2 от ПЗС матрицы. По управляющему напряжению +ΔU_F, сформированному сигнальным процессором 15, привод фокусирующего элемента 2 смещается на шаг +Δ, для которого рассчитывается K_pi. Число шагов находится в пределах 1<i<3, где i - номер шага. По результатам смещений в направлении увеличения расстояния от ПЗС матрицы и вычислений K_pi, выбирается шаг с максимальным значением K_pimax.

При выполнении условия K_pimax<K_pT привод элемента 2 устанавливается в положение, определяемое предварительной калибровкой ТВ блока по температуре K_pТ.

При выполнении условия K_pimax>K_pT управляющее напряжение +ΔU_F, сформированное для этого шага в процессоре 5, через суммирующий усилитель 7 изменяет U_upr и смещает привод элемента 2 в направлении +Δ. Привод устанавливается в положение, при котором K_pimax имеет максимальное значение, и процедура фокусировки по принятому ТВ блоком изображению заканчивается.

Claims

1. Устройство автоматической коррекции резкости изображения, содержащее объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу телевизионной камеры, расположенную в фокальной плоскости объектива, процессор, усилитель мощности, электродвигатель привода фокусировки, кинематически связанный с подвижным оптическим элементом и резистором обратной связи, отличающееся тем, что дополнительно введен контроллер, датчик температуры, суммирующий и вычитающий усилители, причем вход контроллера связан с датчиком температуры, а выход контроллера соединен со вторым входом вычитающего усилителя, первый вход которого соединен с резистором обратной связи и вторым входом процессора, а выход вычитающего усилителя соединен с первым входом суммирующего усилителя, а его второй вход подключен к выходу сигнального процессора, причем выход суммирующего усилителя через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно введен контроллер, первый вход которого соединен с ПЗС-матрицей телевизионной камеры, второй вход соединен с резистором обратной связи, третий вход контроллера соединен с датчиком температуры, а выход контроллера через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.