УСТРОЙСТВО ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ

Заявляемая полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована при цифровой обработке сигналов изображений следов объектов с положительным контрастом (светлые объекты на темном фоне) по отношению к неподвижному фону. Данная задача возникает, в частности, при визуализации следов движения светящихся объектов на ночном небе, а также при визуализации динамических структур газоразрядного свечения при их возбуждении одиночными импульсами.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство цифровой фильтрации, описанное в литературе «Цифровое телевидение», под ред. М.И.Кривошеева, М. Связь. 1980. С.132. Данное устройство содержит сумматор и блок памяти на кадр телевизионного изображения. При этом первый вход сумматора является входом устройства, второй вход сумматора подключен к выходу блока памяти на кадр, вход которого подключен к выходу сумматора, являющимся выходом устройства.
Сумматор в данном устройстве выполняет взвешенное суммирование с коэффициентами для текущих кодов яркости элементов изображения и для соответствующих кодов яркости элементов изображения, задержанных на один кадр при помощи блока памяти. За счет взвешенного суммирования осуществляется «подавление» шума и, соответственно, обнаружение сигнала объекта на неподвижном фоне. Так, в частности, при коэффициентах, равных 0,5, производится усреднение текущих и задержанных цифровых кодов яркости элементов изображения.
Однако, в рассматриваемом устройстве, если число пространственно совпадающих реализации сигнала в кадрах видеопоследовательности мало по сравнению с общим числом содержащихся в ней кадров, то такие реализации подавляются вместе с шумом, что и является недостатком данного устройства.
Таким образом, недостатком известного устройства является его низкая эффективность работы при обнаружении сигнала объекта с положительным контрастом по отношению к неподвижному фону в случае малого числа пространственно совпадающих реализации сигнала в кадрах видеопоследовательности. В свою очередь эффективность работы устройства оценивается вероятностью правильного обнаружения сигнала в смеси с шумом.
Задачей полезной модели является повышение вероятности правильного обнаружения сигнала объекта с положительным контрастом по отношению к неподвижному фону при малом числе пространственно совпадающих реализации сигнала в кадрах видеопоследовательности.
Для достижения поставленной задачи в устройство цифровой фильтрации, содержащее сумматор, введены блок максимизации и блок минимизации цифровых кодов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности. Причем, вход устройства соединен с входами блока максимизации и блока минимизации цифровых кодов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности выходы, которых соединены с первым и вторым входом сумматора, выход которого является выходом устройства.
Блок максимизации и блок минимизации цифровых кодов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности содержат последовательно соединенные блок сравнения и коммутатор, выход которого устройства и соединен с входом блока памяти на кадр, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения и вторым входом коммутатора, а вход блока сравнения соединен с третьим входом коммутатора.
Технический результат, достигнутый при решении поставленной задачи, заключается в повышении вероятности правильного обнаружения сигнала при малом числе его пространственно совпадающих реализации в кадрах видеопоследовательности за счет формирования на выходе устройства цифровых кодов, соответствующих полусумме максимальных и минимальных значений яркости из соответствующих элементов кадров видеопоследовательности.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.1.
Устройство содержит блок максимизации 1, блок минимизации 2 и сумматор 3. Вход блока 1 максимизации и вход блока 2 минимизации соединены между собой и с входом устройства. Выход блока 1 максимизации и блока 2 минимизации подключены, соответственно, к первому и второму входу сумматора 3, выход которого является выходом устройства.
При этом блок 1 максимизации содержит блок 4 сравнения, коммутатор 5 и блок памяти 6 на кадр, а блок 2 минимизации содержит аналогичные блок 7 сравнения, коммутатор 8 и блок памяти 9 на кадр. Вход устройства соединен с первыми входами блоков сравнения 4, 7 и коммутаторов 5, 8. Вторые входы блока сравнения 4 и коммутатора 5 соединены с выходом блока памяти 6, вход которого соединен с выходом коммутатора 5 и с выходом блока 1 максимизации. Вторые входы блока сравнения 7 и коммутатора 8 соединены с выходом блока памяти на кадр 9, вход которого соединен с выходом коммутатора 5 и с выходом блока 2 минимизации.
Устройство работает следующим образом. Цифровые коды, поступающие на вход устройства, подаются на вход блока 1 максимизации, который определяет максимальные значения цифровых кодов для соответствующих элементов яркости кадров видеопоследовательности. Цифровые коды, поступающие на вход устройства, подаются параллельно на вход блока 2 минимизации, который определяет минимальные значения цифровых кодов для соответствующих элементов яркости кадров видеопоследовательности. Вычисленные максимальные и минимальные значения цифровых кодов поступают на сумматор 3, который вычисляет их полусумму.
Для вычисления максимальных значений цифровых кодов исходные коды поступают на первые входы блока сравнения 4 и коммутатора 5. На второй вход блока сравнения 4 с выхода блока памяти на кадр 6 поступают цифровые коды соответствующих элементов изображения, задержанные на один кадр. Блок сравнения 4 осуществляет сравнение соответствующих текущих и задержанных на кадр цифровых кодов элементов изображения и формирует управляющий сигнал «≥» уровня логической единицы в случае превышения или равенства сравниваемых цифровых кодов (например, текущий код равен или превышает задержанный) и логического нуля, если это условие не выполняется (текущий код меньше задержанного).
Управляющий сигнал поступает на управляющий вход коммутатора 5 и производит переключение сигналов (цифровых кодов), поступающих на его первый вход со входа устройства (текущий код) и на второй вход с выхода блока 6 памяти на кадр (задержанный код). При этом, если текущий код больше или равен задержанному, то на выход коммутатора 5 пропускается текущий код от входа устройства. Если текущий код меньше задержанного, то на выход коммутатора 5 пропускается код с выхода блока памяти на кадр 6. Результат сравнения перезаписывается в блок 6 памяти на кадр за счет его работы в режиме считывание-модификация-запись.
Для вычисления минимальных значений цифровых кодов исходные коды поступают на первые входы блока сравнения 7 и коммутатора 8. На второй вход блока сравнения 7 поступают с выхода блока памяти на кадр 9 цифровые коды соответствующих элементов изображения, задержанные на один кадр. Блок сравнения 7 осуществляет сравнение соответствующих текущих и задержанных на кадр цифровых кодов элементов изображения и формирует управляющий сигнал «≤» уровня логической единицы, если текущий код равен или меньше задержанного и логического нуля, если это условие не выполняется (текущий код больше задержанного).
Управляющий сигнал поступает на управляющий вход коммутатора 8 и производит переключение сигналов (цифровых кодов), поступающих на его первый вход со входа устройства (текущий код) и на второй вход с выхода блока 9 памяти на кадр (задержанный код). При этом, если текущий код меньше или равен задержанному, то на выход коммутатора 8 пропускается текущий код с входа устройства. Если текущий код больше задержанного, то на выход коммутатора 8 пропускается код с выхода блока памяти на кадр 9. Результат сравнения перезаписывается во второй блок 6 памяти за счет его работы в режиме считывание-модификация-запись.
При этом, в отличие от устройства-прототипа, осуществляющего только линейную операцию взвешенного суммирования, в заявляемой полезной модели сигнал от объекта при малом числе его пространственно совпадающих реализации в кадрах видеопоследовательности подавляется в значительно меньшей степени. На фиг.2 и 3 показаны результаты компьютерного моделирования работы устройства. Как видно из иллюстраций, при работе заявляемого устройства обеспечивается более высокое отношение сигнал-шум по сравнению с прототипом. На фиг.2 и 3 также видно, что сигналы с выхода блоков максимизации и минимизации имеют смещение уровня средней яркости изображения, соответственно, «вверх» и «вниз». Однако, в результате параллельной работы блоков максимизации и минимизации с последующим суммированием их выходных сигналов в заявляемом устройстве средняя яркость изображения сохраняется. Это является положительным эффектом по отношению к устройствам, построенным на основе работы одного блока максимизации.
Кроме того, заявляемое устройство имеет еще один положительный эффект, поскольку может быть использовано для одновременной визуализации следов объектов, как с положительным (светлые объекты), так и с отрицательным контрастом (темные объекты) по отношению к фону. При этом визуализацию следов объектов с положительным контрастом обеспечивает блок максимизации, а визуализацию следов объектов с отрицательным контрастом обеспечивает блок минимизации. Одновременная визуализация следов объектов, как с положительным, так и с отрицательным контрастом по отношению к фону, в заявляемом устройстве обеспечивается параллельной работой блока максимизации и минимизации с последующим суммированием их выходных сигналов.
Таким образом, заявляемое устройство быть охарактеризовано, как комбинированный цифровой фильтр, который осуществляет нелинейную (ранговую) цифровую фильтрацию путем максимизации и параллельной минимизации отсчетов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности с последующим их линейным усреднением. За счет этого достигается формирование сигнала следов объектов с положительным контрастом, перемещающихся на неподвижном фоне.
Устройство может быть реализовано на цифровых микросхемах широкого применения, что обеспечивает его промышленную применимость.