УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ

Полезная модель относится к прикладному телевидению и, в частности, может быть использована для автоматической фокусировки принимаемого оптического изображения от передающих обзорно-визирных телевизионных систем, размещенных на подвижных основаниях.
Работа подобных телевизионных систем (в дальнейшем ТВ-систем) в большинстве случаев проходит в условиях изменения температуры окружающей среды от -60°С до +60°С и механических воздействиях в виде широкополосной случайной вибрации со среднеквадратичным отклонением амплитуды до 4g, следствием которых является дефокусировка изображения в ходе работы оператора.
Кроме того, в ходе работы оператора возникает необходимость обнаружения и распознавания объектов не только на расстоянии нескольких километров, но и расположенных в «ближней зоне» (десятки и сотни метров). В этом случае требуется перефокусировать объектив передающей телевизионной камеры (в дальнейшем ТВ-камеры) на конечное расстояние, а затем, при необходимости, вернуться для работы в «дальнюю зону» (несколько километров).
Известно устройство автофокусировки бытовой ТВ-камеры, содержащее объектив с подвижной подфокусирующей линзой, которая оптически связана с ПЗС-матрицей, и процессор. Процессор через схему обработки видеосигнала и электродвигатель привода фокусировки управляет перемещением подвижной подфокусирующей линзы. Схема обработки видеосигнала выполнена на аналоговой элементной базе и состоит из фильтров высокой частоты, усилителя, фильтра низкой частоты, аналого-цифрового преобразователя (в дальнейшем АЦП), цифрового интегратора и коммутатора сигналов для управления электродвигателем привода фокусировки (П.Ф.Гаврилов, В.Н.Кривилев, «Видеокамеры», М.
Радиотон», 1999 г., стр.41.). Известное устройство является близким аналогом заявляемой полезной модели.
Работа известного устройства, как и в заявляемой полезной модели, основана на анализе уровня высокочастотных составляющих в видеосигнале и обеспечивает высокую разрешающую способность ТВ-системы. Однако, алгоритм работы процессора и устройства в заявляемой полезной модели в целом отличается от аналогичных алгоритмов.
К недостаткам близкого аналога можно отнести:
- большие габариты устройства за счет того, что схема обработки видеосигнала состоит из многих отдельных компонентов;
- большие временные затраты, до единиц минут, на автофокусировку объектива ТВ-системы, одна из причин - выполнение схемы обработки видеосигнала на многокомпонентной, преимущественно, аналоговой базе, а другая - процедура автофокусировки, основанная на сравнении уровня высокочастотных составляющих с хранящимися в памяти эталонами, полученными в условиях хорошей фокусировки;
- снижение разрешающей способности ТВ-системы в условиях изменения температуры окружающей среды от -60°С до +60°С и механических воздействиях, особенно, при работе с узкими полями зрения (единицы градусов).
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение эксплуатационных возможностей ТВ-системы и оптимизация времени автоматической автофокусировки.
Техническим результатам заявляемой полезной модели является:
сокращение времени автофокусировки и создание компактного устройства, обеспечивающего работу с высокой разрешающей способностью во всех условиях эксплуатации.
Поставленная задача решается, а технические результаты достигаются за счет того, что устройство автоматической фокусировки содержит объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу, расположенную в фокальной плоскости объектива, процессор, электропривод двигателя, связанный с подвижным оптическим элементом, схему обработки видеосигнала. Схема обработки видеосигнала включает усилитель видеосигнала, первый АЦП и коммутатор сигналов для управления электродвигателем привода фокусировки.
Отличие от близкого аналога состоит в следующем: дополнительно введена схема обратной связи, состоящая из переменного сопротивления, один выход которого связан с электроприводом двигателя, а другой - со вторым входом процессора. В процессор встроен первый АЦП для оцифровки изображения и второй АЦП для оцифровки сигнала обратной связи. При этом ПЗС-матрица через усилитель видеосигнала связана с первым входом процессора, выходы которого связаны с коммутатором сигналов для управления электродвигателем привода фокусировки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
на фиг.1 представлена функциональная схема устройства автоматической фокусировки;
На фиг.2 блок-схема, иллюстрирующая работу устройства автоматической фокусировки.
Roc пф
Устройство содержит последовательно соединенные объектив с подвижным оптическим элементом (1), ПЗС-матрицу (2), расположенную в фокальной плоскости объектива (1), усилитель видеосигнала (3) и процессор (4), коммутатор (5) для управления направлением вращения электродвигателя привода фокусировки (6). В процессор (4) встроены следующие основные элементы: АЦП1 для оцифровки элементов изображения, АЦП2 для оцифровки напряжения U с потенциометра обратной связи, ОЗУ на кадр изображения, сигнальный процессор ADSP и ПЗУ программ. Схема обратной связи включает переменное сопротивление
oc
R (7), связанное через АЦП2 со вторым входом процессора (4). Процессор (4) выполнен на основе сигнального процессора модели ADSP-BF561. В качестве коммутатора сигналов для управления электродвигателем привода фокусировки установлен драйвер модели L293.
ф.доп
ф.доп.
Автоматическая фокусировка принимаемого изображения выполняется в следующей последовательности (фиг.2). При включении питания электропривода двигателя (6) процессор (4) через драйвер (5) устанавливает положение оптического фокусирующего элемента (1) объектива в начальное положение δ=δ, соответствующее начальному граничному значению глубины резкости изображения, как это показано на фиг.1. Процессор (4) рассчитывает для положения δ=-δ величину резкости изображения (Q):
δ
ф.доп.
Q=-δ
δ
Для вычисления резкости изображения Q, которая является характеристикой разрешения в изображении, используется информация о величине спектральных компонентов в видеосигнале. Для измерения уровня спектральных компонентов в видеосигнале использовано преобразование Уолша-Адамара. Выбор этого ортогонального преобразования обусловлен простотой реализации. При вычислении используются только операции сложения. Время вычисления преобразования Уолша-Адамара фрагмента изображения в стробе ограниченного матрицей N×N (64×64) элементов определяется известным соотношением для алгоритма Кули-Тьюки по формуле:
алг
2
T=NlogN
к
алг
кадра.
и будет составлять для сигнального процессора ADSP BF-561 Т~ 2 мкс, что существенно меньше времени кадра Т=20 млсек (Т<Т).
pc
Экспериментально было установлено, что наиболее чувствительны к расфокусировке изображения (изменению разрешения) трансформанты преобразования Уолша-Адамара S (i) с номерами 30<i<50.
pc
Для обеспечения инвариантности к яркости и фону в принимаемом изображении производится его нормировка на значение нулевой трансформанты Адамара S (0). Резкость изображения количественно можно оценить по формуле:
,
pi
где S (i) - спектральные компоненты с номерами 30<i<50,
pi
S (0) - нулевая спектральная компонента.
Δ
Δ
По команде с микропроцессора (4) через драйвер (5) электропривод двигателя (6) осуществляется последовательное пошаговое перемещение подвижного оптического элемента (1) на величину шага δ. Величина шага перемещения δ определяется из условия:
Δ
ф.доп.
δ=2δ/N,
ф.доп
где 2δ - глубина резкости изображения ~ (2×1500 мкм) = 3000 мкм;
N - число измерений резкости.
Число измерений резкости (N) определяется из условия:
перемещения
кадра
N=Т/T=50,
кадра
где Т=20 м/сек;
перемещения
Т=1000 м/сек - время перемещения механизма с подфокусирующим элементом от одного крайнего положения в другое.
Δ
Для кривошипного механизма, примененного в приводе подфокусировки с исполнительным двигателем типа ДПМ-20-Н1-085, это время составляет ~1 сек. Дискретность шага перемещения при числе измерений резкости N=50 составляет ~δ=2×1500 мкм/50=60 мкм.
По командам от сигнального процессора двигатель (6) выполняет перемещение подвижного элемента (1). По каждому кадровому синхронизирующему импульсу КСИ (см. фиг.1) процессор 4 считывает по
Roc пФ
последовательному интерфейсу через АЦП2 напряжение обратной связи U и рассчитывает для этого положения резкость изображения Q.
ф.доп.
Δ
Для каждого нового положения подвижного оптического элемента (1) (см. фиг.2) δ=-δ+δ снова рассчитывается величина резкости изображения по формуле:
δ
ф.доп.
Δ
Q=Q-δ+δ
Δ
ф.доп
Процесс вычисления величины резкости изображения с шагом δ продолжается до тех пор, пока оптический фокусирующий элемент (1) не достигнет конечного положения δ=+δ, которое соответствует конечному граничному значению глубины резкости изображения ТВ-системы.
δ
Roc пф
δ
max
max
max
Из полученных значений величины резкости изображения Qвыбирается номер шага или оцифрованное значение напряжения U, для которого Q=Q, и по команде микропроцессора (5) электропривод двигателя (6) через драйвер (5) устанавливает оптический фокусирующий элемент (1) в положение, соответствующее максимальной разрешающей способности (резкости). Направление перемещения подфокусирующего элемента (1) определяется командами от ADSP, например, наличие управляющих сигналов на 4-м и 6-м выходах разрешает протекать току по цепи транзистор Т2, обмотка двигателя (6), транзистор Т3, что соответствует вращению двигателя, например, против часовой стрелки. Наличие управляющих сигналов на выходах 3 и 5 обеспечивает цепь протекания тока: транзистор Т1, обмотка двигателя (6), транзистор Т4 и вращение двигателя (6) по часовой стрелке. В дальнейшем резкость Q рассчитывается процессором (4) в каждом кадре принимаемого оптического изображения и сравнивается с Q. При уменьшении Q<Q (см. фиг.2) процедура автоматической фокусировки повторяется.
Сокращение числа аналоговых компонентов системы, осуществляющих обработку видеосигнала, и передача их функций процессору позволили уменьшить габариты заявляемого устройства.
Обработка видеосигнала и управление работой, осуществляемой процессором, выполненным на основе процессора ADSP-BF561 и драйвера модели L293D, значительно сократили время автофокусировки.
Разработанная функциональная схема устройства автофокусировки обеспечила высокую разрешающую способность ТВ-системы (550-600 тел. лин) при изменении температуры окружающей среды от -60°С до +60°С, значительных механических воздействиях и при необходимости распознавания объектов попеременно в «дальней» и «ближней» зоне.