УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ СИМВОЛЬНОЙ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЯХ

Полезная модель относится к области прикладного телевидения и может быть использована в системах телевизионной (ТВ) автоматики, следящих устройствах и различных системах технического зрения.
На протяжении десятилетий при проведении динамических режимов пилотируемых кораблей «Союз», грузовых кораблей «Прогресс» и российского сегмента Международной космической станции (МКС) информация по системе управления движением космических аппаратов (КА) передается как по телеметрическому (ТМ) узкополосному каналу связи, так и по телевизионному (ТВ) широкополосному каналам связи в Центр управления полетами (ЦУП) [1].
В книге [2] показано, что ТВ изображение, формируемое на борту КА, может быть использовано для измерения параметров относительного движения КА при их сближении, таких как дальность, скорость, углы рыскания и т.д.
В работе [3] показано, что бортовая ТМ информация КА передается по каналу связи в совмещенном режиме с ТВ изображениями, формируемыми внешней бортовой ТВ камерой. ТМ информация о динамических параметрах КА отображается в виде символов на фоне ТВ изображений. Смена событий характеризуется изменением соответствующих буквенных сообщений. Функциональные параметры передаются в виде цифр, соответствующих их текущему значению. В определенных знакоместах ТВ растра передаются комбинации символов - букв и цифр. Комбинированные ТВ изображения поступают как на монитор экипажа КА, так и передаются в ЦУП или на орбитальную станцию.
Общее число знакомест для символьной ТМ информации в ТВ изображении фиксировано и равно величине D. Символьная ТМ информация может состоять из буквенной и цифровой информации. К основным классам (видам) символьной ТМ информации передаваемой в режиме «ТВ+ТМ» можно отнести: текстовые сообщения, функциональные параметры, кодовые параметры, текстовые-кодовые (комбинированные).
В процессе управления КА при их сближении, в ЦУПе отдельным специалистам необходимо анализировать только ТВ изображения, другим изображения с ТМ информацией, третьим совместное комбинированное ТВ изображение. В случае необходимости наблюдения только ТВ изображений КА, символьная ТМ информация выступает как мешающая информация. Реализация возможности разделения между собой на приемной стороне ТМ и ТВ информации будет способствовать повышению информационного обеспечения специалистов ЦУПа, осуществляющих управление полетом КА.
Селекция сигналов ТМ информации предусматривает использование различных методов и алгоритмов обработки сигналов. Существующие подходы и методы селекции и распознавания символьной информации на фоне ТВ изображений, сближающихся КА включают различные операции обработки сигналов каждого символа.
В работе [3] рассматриваются вопросы предварительной обработки ТВ изображений, выделение в ТВ изображениях априорно известные знакоместа символов (букв, цифр); фильтрацию и адаптивную пороговую обработку сигналов изображения знакоместа; формирование двуградационного сигнала ТВ изображения для символов в каждом знакоместе; восстановление сообщений при частично потерянных символах ТМ информации для определенных знакомест и др.
Одной из важных задач селекции и последующего распознавания символьной ТМ информации КА является предварительная обработка сигналов изображений, включающая сегментацию, в данном случае, выделение на ТВ изображении областей приблизительно одинаковой яркости. Поэтому выбор порогового уровня для разделения символа и фона является одним из ключевых вопросов. Один из простых способов - это проведение сегментации с помощью порогового преобразования [4].
Для выполнения операции порогового обнаружения перепадов существует большое число методов, основанных на линейных и нелинейных преобразованиях исходных ТВ изображений, включающих, например, пространственное дифференцирования, метод аппроксимации перепадов яркости и т.д., а также основанных на статических подходах к обнаружению объектов.
1
п
2
Сигнал целевого и фонового объекта в общем случае представляет собой аддитивную смесь полезного сигнала и шума. За счет воздействия шумового сигнала на ТВ изображение объекта и фонового изображения величина порогового сигнала может изменяться в пределах U≤U(t)≤U.
Поэтому формирование значений порогового сигнала (при двухуровневой модели) должно удовлетворять условию [4]
.
Наиболее близким по совокупности операций и техническим признакам является устройство селекции ТМ информации в ТВ изображениях КА с восстановлением сообщений при частично потерянных символах буквенной информации, описанное в книге [5, стр. 205-206]
Структурная схема устройства селекции ТМ информации в ТВ изображениях КА с восстановлением сообщений при частично потерянных символах буквенной информации, представляет собой последовательно соединенные между собой блоки и узлы, включающие блок предварительной обработки, логические схемы выделения сигналов знакоместа (символов), генератор сигналов тактовых импульсов, анализатор уровня сигнала символа и фона, логические схемы селекции сигналов символа, блок формирования пороговых сигналов, схемы сравнения символьных и эталонных сигналов, логические схемы «И», схемы формирования конечных символов, блок эталонных сигналов, логическая схема «ИЛИ», распределитель сигналов, монитор, блок регистрации и архивации, блок управления.
Принцип работы устройства заключается в следующем. После предварительной обработки, с выхода блока сигнал изображения по каждому каналу обработки поступает на свою схему совпадения для выделения сигналов изображений, содержащихся в i-знакоместе символов. С выхода отдельных схем совпадения сигнал изображения каждого знакоместа, с одной стороны поступает на входы схем селекции сигналов символов, а с другой стороны поступает на входы анализатора уровня сигнала символа и фона, с выхода которого формируются управляющие сигналы для блока формирования пороговых сигналов.
С его выходов для каждого канала знакоместа формируется свой пороговый сигнал, который может быть одинаковый или разный для каждого символьного сигнала. На выходе схемы селекции формируются двухуровневые сигналы изображений исходной символьной информации без фонового сигнала. С каждого i-канала знакоместа сформированные сигналы символьной информации через схему «ИЛИ» поступают на общий выход для дальнейшей обработки и распределения, а также отображения символьной информации на экране монитора или ее регистрации и архивации. Для восстановления сообщений при частично потерянных символах ТМ информации для i-знакоместа может использоваться априорная информация о возможных сообщениях. Такими сообщениями в процессе сближения КА в ТВ изображениях для определенных моментов времени могут быть слова: ЗАХВАТ, РАЗВОРОТ, ПРИЧАЛ, СЦЕПКА и т.д.
Например, вместо полного сообщения ПРИЧАЛ в ТВ изображении, за счет влияния неблагоприятных факторов, пусть остались четыре, три, две или даже одна буква, например, Ч, которая может быть характерной для данного сообщения. На основе этого выбираются недостающие буквы (или все сообщение) из блока эталонных сигналов, которые подаются в схему формирования конечных символов i-знакоместа, с использованием схемы совпадения. С блока управления на другие блоки подаются необходимые тактовые и синхронизирующие импульсы.
Следует отметить, что в процессе передачи совмещенных ТВ изображений в ЦУП могут возникать различного рода помехи, которые ухудшают качество ТВ изображений, его контрастности и т.д. Возникновение этих факторов уменьшает достоверность селекции и распознавания символьной информации, что является недостатком рассмотренного устройства селекции ТМ информации в ТВ изображениях КА с восстановлением сообщений при частично потерянных символах буквенной информации.
Технический результат - повышение эффективности селекции символьной ТМ информации на фоне ТВ изображений КА с оптимальным контрастом для обеспечения повышения оперативности и качества выполнения контроля динамических режимов, включая режим сближения.
Для этого в известное устройство предлагается ввести блоки обработки ТВ сигнала, включающие аналого-цифровое преобразование, гамма-коррекцию и цифро-аналоговое преобразование сигналов ТВ изображений.
Технический результат достигается тем, что в устройстве селекции символьной ТМ информации в ТВ изображениях, состоящего из последовательно соединенных между собой блоков и узлов, включающих блок предварительной обработки, n-логических схем выделения сигналов знакоместа (символов), генератор сигналов тактовых импульсов, анализатор уровня сигнала символа и фона, n-логических схем селекции сигналов символов, блока формирования пороговых сигналов, n-схем сравнения символьных и эталонных сигналов, n-логических схем «И», n-схем формирования конечных символов, блока эталонных сигналов, логической схемы «ИЛИ», распределителя сигналов, монитора, блока регистрации и архивации, блока управления, новым является то, что в его состав дополнительно введены между блоком предварительной обработки и n-логическими схемами выделения сигнала знакомест (символов) последовательно соединенные между собой аналого-цифровой преобразователь видеосигналов, формирующий на своих выходах цифровые видеосигналы в m-разрядном двоичном коде, представленные в параллельном виде, каждый из которых поступают на отдельные m-входы цифрового гамма-корректора, выходы которого соединены со m-входами цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен со входами n-логических схем выделения сигналов знакоместа (символов), а также введены между общим выходом блока предварительной обработки и вторым входом аналого-цифрового преобразователя последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и генератор стробирующих импульсов, где второй выход этого генератора соединен с блоком управления, а один из выходов блока управления соединен с (m+1) - входом цифрового гамма-корректора.
Важной характеристикой зрительного восприятия символьной ТМ информации выступает контрастная чувствительность глаза - способность различать символьную ТМ информацию на фоне ТВ изображений КА.
Существуют различные варианты определения контрастности ТВ изображений по их яркости (или сигналу изображения), например
,
тм
ф
тм
ф
где В и В - яркость изображений символьной ТМ информации и фонового ТВ изображения КА, U и U - сигнал изображений символьной ТМ информации и фонового ТВ изображения КА, при этом величина контрастности может принимать значения в интервале значений 0<k≤1.
В этой связи важное место для селекции символьной ТМ информации в ТВ изображениях КА занимает операция, связанная с изменением градационной характеристики видеоусилительного тракта (тракта формирования сигналов изображений). Она может осуществляться в операторном или автоматическом режиме селекции и различения заданных символов на произвольном фоне ТВ изображений.
На выходе тракта формирования сигналов выходной сигнал изображения составит величину
,
c
где С - обобщенный коэффициент, учитывающий процесс преобразования сигналов в ТВ тракте от «света до света», γ - обобщенный коэффициент, учитывающий нелинейность преобразования сигналов в ТВ тракте от «света до света», U(t) - входной сигнал ТВ изображения.
При введении нелинейной обработки сигнала изображения минимальное приращение градаций яркости на уровне малой или максимальной яркости объекта изображения можно представить в виде максимального приращения амплитуды выходного сигнала изображения, которое можно лучше различать
,
где значения коэффициента нелинейной обработки сигнала могут изменяться от значений γ<1 до значений γ>1.
min
вых
max
На фиг. 1 показана зависимость амплитуды выходного сигнала изображения от входного, при различных значениях нелинейности тракта формирования сигналов. В случае значений γ<1, наблюдаемые объекты с минимальной амплитудой (U) будут отображаться с большей яркостью, а также с большим приращением градаций яркости Δ(U) на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ), за счет увеличения диапазона изменения выходного сигнала.
вх
max
вх
min
Объекты с максимальной яркостью (U) будут воспроизводиться с меньшим приращением градаций сигнала Δ(U). То есть, в данном случае при γ<1 улучшается различимость деталей изображения, яркость которых мала и ухудшается их различимость для больших яркостей (объекты будут сливаться). В случае значений γ>1 ситуация будет противоположной.
С точки зрения решаемых задач, когда не требуется сохранять истинное значение градаций яркости исходных символов ТМ информации, а требуется обеспечить их обнаружение, подбирая значение γ можно улучшить качество наблюдения малоконтрастных изображений в области темных и светлых участков черно-белого изображения и тем самым повысить достоверность визуального или автоматического обнаружения символьной ТМ информации.
Надо отметить, что важной особенностью зрительного наблюдения ТВ изображений является то, что изображение символьной ТМ информации и ТВ фона КА уже присутствует, и вероятность правильного визуального обнаружения объекта и фона определяется достаточной различительной информацией по амплитудным признакам между ними для наблюдателя. В этой связи, улучшается также решение задачи по автоматическому выделению перепадов сигналов ТМ информации и фона за счет расширения динамического диапазона выходного сигнала для заданного диапазона яркостей объектов.
В общем случае возможны различные формы градационной характеристики. Используя набор разных градационных характеристик, например, таких как показано на фиг. 1, а также и с другой возможной формой (например, S-характеристикой), можно повысить различимость символьной ТМ информации на произвольном фоне при их исходной яркости, располагаемой в области малых, средних или больших значений яркостей. Таким образом, в случае, если амплитуда сигнала изображения ТМ информации мало отличается от сигнала фонового объекта, можно повысить их различимость, меняя усиления амплитуды сигнала изображения в диапазоне малых, средних или больших значений яркости.
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1 и фиг. 2, где фиг. 1 - зависимость амплитуды выходного сигнала изображения от входного при различных значениях нелинейности тракта формирования сигналов, а фиг. 2 - структурная схема устройства.
Здесь на фиг. 2 - блок предварительной обработки 1, селектор синхроимпульсов 2, генератор стробирующих импульсов 3, аналого-цифровой преобразователь 4, цифровой гамма-корректор 5, цифро-аналоговый преобразователь 6, логические схемы выделения сигнала знакоместа (символов) 7, генератор сигналов тактовых импульсов 8, анализатор уровня сигнала символа и фона 9, логические схемы селекции сигналов символов 10, блок формирования пороговых сигналов 11, схемы сравнения текущих буквенных и эталонных буквенных сигналов 12, логические схемы «И» 13, блок эталонных сигналов 14, схемы формирования конечных символов 15 логическая схема «ИЛИ» 16, распределитель сигналов 17, монитор 18, блок регистрации и архивации 19, блок управления 20.
Принцип работы устройства заключается в следующем. С выхода блока предварительной обработки 1 сигнал изображения (видеосигнал) в режиме «ТВ+ТМ» поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 4 и преобразуется в цифровую форму. На выходе АЦП формируются видеосигналы в m-разрядном двоичном коде, представленные в параллельном виде. Для работы АЦП на его второй вход с генератора стробирующих импульсов 2 подаются импульсы, которые имеет частоту дискретизации равную величине
,
верх
где ƒ - верхняя граничная частота сигнала ТВ изображения.
С каждого выхода АЦП сигналы поступают на отдельные m-входы цифрового гамма-корректора, выходы которого соединены с m-входами цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Гамма-корректор может изменять нелинейность тракта формирования сигнала изображения, в соответствии с выражением (3), где значения коэффициента нелинейной обработки сигнала могут изменяться от значений γ<1 до значений γ>1. Требуемый коэффициент γ может выставляться в операторном или автоматическом режиме с использованием блока 20. После цифровой гамма-коррекции сигнала изображения и преобразования его в аналоговый сигнал изображений с использованием ЦАП, сигнал с его выхода поступает на первые входы n-логических схем выделения сигнала знакоместа (символов) 7, на вторые входы которых поступают разрешающие импульсы по знакоместу от генератора сигналов тактовых импульсов 8. С выхода логических схем 7 сигнал изображения каждого знакоместа, с одной стороны поступает на входы схем селекции сигналов символов 10, а с другой стороны поступает на входы анализатора уровня сигнала символа и фона 9, на выходе которого формируются управляющие сигналы для блока формирования пороговых сигналов 11. С его выходов для i-канала знакоместа формируется свой пороговый сигнал, который может быть одинаковый или разный для каждого символьного сигнала. На выходе схем селекции 10 формируются двухуровневые сигналы изображений исходной символьной ТВ информации без фонового сигнала. Далее эти сигналы поступают транзитом через схемы 12, 15 и 16 на общий выход для дальнейшей обработки и распределения в блоке 17, а также отображения символьной информации на экране монитора 18 или ее регистрации и архивации в блоке 19. С блока управления 20 подаются необходимые тактовые и синхронизирующие импульсы.
Для восстановления сообщений при частично потерянных символах ТМ информации для i-знакоместа может использоваться априорная информация о возможных сообщениях, которая имеется в блоке 14. Такими сообщениями, в процессе сближения КА, в ТВ изображениях для определенных моментов времени могут быть слова: ЗАХВАТ, РАЗВОРОТ, ПРИЧАЛ, СЦЕПКА и т.д.
Например, вместо полного сообщения ПРИЧАЛ в ТВ изображении, за счет влияния неблагоприятных факторов, пусть остались четыре, три, две или даже одна буква, например, Ч, которая может быть характерной для данного сообщения.
В этом случае выбираются недостающие буквы (или все сообщение) из блока эталонных сигналов 14, которые подаются на второй вход схем сравнения текущих буквенных и эталонных буквенных сигналов 12 с использованием схемы 13. При пропадании букв или буквенных сообщений со второго выхода схем 12 вырабатывается сигнал логической единицы, который дает разрешение прохождения эталонного буквенного сигнала с выхода блока 14, через схему 13 на третий вход схем формирования конечных символов 15 и через нее поступают на соответствующий вход схемы 16.
Предлагаемое устройство, за счет введения операций обработки сигналов, связанных с цифровой гамма-коррекцией сигналов изображений, обеспечит повышения эффективности селекции символьной бортовой ТМ информации на фоне ТВ изображений КА с оптимальным контрастом.
Цитированные источники
1. Кравец В.Г., Любинский В.Е. Основы управления космическими полетами. - М.: Машиностроение, 1983. - 224 с.
2. Сагдуллаев Ю.С., Смирнов А.И. Ковин С.Д. Основы телевизионных измерений параметров сближения космических аппаратов. М.: "Спутник+", 2014. - 109 с.
3. Сагдуллаев Ю.С., Смирнов А.И. Обработка и селекция сигналов телеметрической информации космических аппаратов в телевизионных изображениях. Журнал Аэрокосмическое приборостроение. М.: 2016 г., №7, С. 25-33.
4. Сагдуллаев Ю.С., Смирнов А.И. Селекция и распознавание бортовой телеметрической информации космических аппаратов. Вопросы радиоэлектроники, сер. Техника телевидения, 2016, вып.4, С. 100-107.
5. Сагдуллаев Ю.С., Ковин С.Д. Восприятие и анализ разноспектральных изображений. М.: "Спутник+", 2016. - 251 с.