Материал: FvvJHp7pSQ

6

в составе телевизионной камеры с быстродействующей стабилизацией изображения.

Глава ΙΙΙ посвящена разработке методов повышения быстродействия и точности стабилизации изображения. Приводятся подробные данные о разработанной методике синтеза телевизионных камер со стабилизацией изображения.

В диссертации был рассмотрен структурный синтез телевизионной камеры со стабилизацией изображения, показывающий, что требование совмещения изображений в реальном времени ведёт к необходимости использования прямого метода измерения смещения изображений за счет введения в

фокальную плоскость кроме основного матричного фотоприёмника двух дополнительных линейных фотоприёмников (рис. 1). При этом дополнительные линейные массивы могут быть сформированы как топологически, так и виртуально, программным способом выделения из общего массива фоточувствительных элементов. В качестве подвижного элемента целесообразно использовать современные пьезоэлектрические приводы, которые при относительно небольших размерах способны обеспечивать высокоскоростное перемещение с частотами 1кГц…1МГц и точностью позиционирования менее 0,5 нм. Оптимальная структура измерителя смещения изображений, показанного на рис. 1, включает:

Рис. 1. Функциональная схема системы стабилизации изображения с прямым измерением смещений изображений дополнительными линейными фотоприемниками

7

•режекторный фильтр для контрастирования взаимнокорреляционнной функции (ВКФ);

•коррелятор – вычислитель ВКФ для дискретных значений сдвига (на целое число пикселов);

•интерполятор – вычислитель смещения, как целочисленного относительно пикселов изображения, так и дробного (так называемая субпиксельная точность измерения).

В диссертации также рассматривается параметрический синтез входящего в систему стабилизации вычислителя, который подчинён цели достижения потенциальной точности оценки смещения изображения в системе стабилизации с дополнительными линейными фотоприёмниками при следующей опорной триаде синтеза:

1. Априорная информация о типовых изображениях, формируемых фотоприёмными массивами телекамеры:

•телекамера с кадровым периодом Tk формирует последовательность сигналов изображения основного массива N×N квадратных пикселов площадью Δ×Δ и две дополнительные последовательности yi → и yi ↑ с ортогональных линейных массивов по J пикселов каждый, с размерами b m; время считывания Tc этих строк существенно меньше времени кадра Tk основного массива: Tk>>Tc;

•диаметр импульсной характеристики объектива (функции рассеяния

• автокорреляционная функция (АКФ) оптических изображений, анализируемых линейными фотоприёмниками, при достаточно больших аргументах в силу свойств наблюдаемых сюжетов моделируется экспоненциальной функцией:

K (x) K (0)exp ( |x|/τ)

с интервалом корреляции J >> τ >> ;

• АКФ оптических изображений (до дискретизации линейными фотоприёмниками) в силу свёртки оптического сигнала с импульсной характеристикой объектива

hоб exp ( x2 / 2r2 )

с эффективным диаметром 2r, при малых аргументах x ≤ описывается не линейной функцией, а более сложной функцией.

•в первом приближении, при наличии некоторого среднего фона можно считать, что все сигналы наблюдаются в присутствии белого (некоррелированного) гауссовского шума ξi (шума фона и шума считывания), т. е. наблюдению доступны сигналы yi = Si+ ξi.

2. Критерий качества: минимум искажений сигнала изображения, формируемого основным фотоприёмным массивом, достигаемый при:

•максимально возможной частоте считывания со вспомогательных линейных фотоприёмников, которая определяется исходя из особенностей их внутренней архитектуры;

8

•минимуме среднеквадратической ошибки измерения смещения сигналов соседних строк вспомогательными линейными фотоприёмниками.

3. Ограничения: сложность вычислителя смещения изображения, стабильность вычислений, требуемые для реализации вычислителя в виде отдельной цифровой СБИС или в виде специально формируемых блоков, которые могут быть включены в состав видеосистемы на кристалле.

Варьируемыми (искомыми) параметрами являются:

•размеры пиксела измерительной строки;

•разрядность АЦП;

•число членов импульсной характеристики режекторного фильтра;

•алгоритм вычисления корреляции и его сложность;

•алгоритм интерполяции и его сложность.

В процессе нахождения размеров пиксела измерительной строки введём отношение

β = Δ/Δm

Оптимальное значение β трудно найти аналитически в связи с тем, что формально ошибка измерения смещения (с учётом интерполяции взаимнокорреляционной функции (ВКФ)) не зависит от β в силу взаимно компенсирующего влияния ёмкости пикселов Nem и их числа J в измерительной строке. Одновременно с этим, достижимая точность измерения связана с методологической ошибкой интерполяции ВКФ: чем меньше β, тем устойчивее система к отклонениям АКФ реальных сигналов от принятой модели. С других позиций, уменьшение β ведёт к возрастанию сложности вычислителя, его требуемого быстродействия и тепловыделения, а также к необходимости использования существенно более дорогостоящей технологии изготовления с лучшими топологическими нормами. Из этих соображений приходится находить компромиссное значение β, и можно прогнозировать, что оно должно лежать в интервале 2…5.

Предварительная фильтрация с помощью режекторных фильтров обеспечивает не только известное обострение ВКФ, но и уменьшение сложности накапливающего сумматора вычислителя ВКФ пропорционально log2τ/ m.

Основными требованиями к режекторному фильтру, обеспечивающему обострение ВКФ при отсутствии смещения оценки, является симметрия импульсной характеристики {hk} и равенство нулю суммы всех её членов:

k l

hk 0; h0 0; hl 0 приk l

k l

Потеря полезной информации I об измеряемом параметре сдвига связана с коэффициентом изменения отношения сигнал/шум KΨ =Kш/Ks из-за возрастания мощности шума на выходе фильтра пропорционально коэффициенту шума

k

Kш hk2

k

9

и возможного уменьшения энергии сигнала одноэлементных фрагментов и перепадов яркости, в первом приближении определяемого отношением полуширины импульсной характеристики фильтра к длительности фронта видеоимпульса

Ks = [min{l/β;1}]2.

Это означает, что в рассматриваемой системе полуширина l импульсной характеристики режекторного фильтра должна быть не менее отношения β размеров пиксела основного и вспомогательных фотоприемников.

При оценке сложности блоков вычислителя смещения изображений будем считать, что:

сложность характеризуется числом вентилей;

минимальная сложность ячейки памяти – два вентиля;

минимальная сложность полного одноразрядного сумматора 5 вентилей. При оценке сложности режекторного фильтра можно считать, что она

определяется только требуемыми элементами задержки со сложностью 4lm и 2l сумматорами со сложностью 4(m + l), так как применяется только умножение на целочисленные степени числа 2 (½, ¼, ⅛…), осуществляемое простым сдвигом кода, ведущим к увеличению разрядности кода на l. При количественной оценке параметров ниже будем полагать β = 4.

При выборе оптимальных параметров режекторного фильтра следует принимать во внимание показатель эффективности использования вычислительных ресурсов, связывающий потерю полезной информации I (в данном случае – потерю точности измерения смещения) с вычислительной сложностью фильтра W (рис. 2)

Рис. 2. Зависимость потери полезной информации I (штриховая линия), сложности W (при m = 10, штрих-пунктир) и показателя

эффективности использования вычислительных ресурсов (сплошная линия) от порядка режекторного фильтра N (числа членов импульсной характеристики)