УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
IMAGE STABILISATION DEVICE

Предлагаемое техническое решение относится к области телевидения и цифровой фотографии, в частности к устройствам стабилизации изображения.
Известно устройство стабилизации изображения, в котором используется прямой метод измерения смещения и с целью уменьшения задержек на формирование сигнала смещения измерение производят не по сигналу кадра основной фотоприемной матрицы, а по сигналу дополнительного фотоприемника [Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н.Еськов, Ю.П.Ларионов, В.А.Новиков и др. Под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова. - Л.: Машиностроение, 1988, стр.37]. При этом для оценки смещения изображения используется одноэлементный фотоприемник, так же как и основная фотоприемная матрица, расположенный в фокальной плоскости объектива, сигналы с которого обрабатываются автокорреляционным методом [Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н.Еськов, Ю.П.Ларионов, В.А.Новиков и др. Под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова. - Л.: Машиностроение, 1988, стр.124].
Основным недостатком данного устройства является возможность измерения смещения лишь при поступательном движении изображения относительно фотоприемника, так как при вибрации (возвратно-поступательном движении) на одноэлементный фотоприемник может проецироваться участок кадра с постоянной освещенностью. Данное устройство может найти ограниченное применение в видеоинформационных системах с достаточно равномерным движением основания, например в некоторых авиакосмических системах мониторинга [Бузников А.А., Купянский А.В. Динамическое совмещение полутоновых аэрокосмических и графических изображений. Изв. Вузов, сер. «Геодезия и аэрофотосъемка», 1993, №3, с.102-107].
Наиболее близкой по совокупности существенных признаков к предлагаемой, является система стабилизации изображения, описанная в патенте РФ №2384967 (опубл. 20.03.2010), содержащая матричный фотоприемник, два линейных фотоприемника, подвижный элемент, блок управления, блок измерения смещения изображения, где выходы линейных фотоприемников соединены с входами измерителя смещения, выходы измерителя смещения соединены с входами блока управления, выходы блока управления соединены с входами подвижного элемента.
Недостатком прототипа является недостаточно высокая точность и быстродействие измерения смещения изображения и, как следствие, недостаточно быстрый отклик подвижного элемента для компенсации возмущений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является улучшение стабилизации изображения, а именно уменьшение смаза изображения, которое является результатом уменьшения погрешности измерений смещений изображения при малых смещениях.
Технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство стабилизации изображения, так же как известное, содержит основной матричный фотоприемник и два дополнительных взаимно перпендикулярных линейных фотоприемника, измеритель смещения, блок управления, подвижный элемент и объектив, где выходы линейных фотоприемников соединены со входами измерителя смещения, выходы измерителя смещения соединены со входами блока управления, выходы блока управления соединены со входами подвижного элемента. Но в отличие от известного устройства на каждом входе измерителя смещения установлен режекторный фильтр, соединенный с блоком задержки на строку и с первым входом коррелятора, со вторым входом которого соединен выход блока задержки на строку, а коррелятор соединен с параболическим интерполятором, установленным на выходе блока смещения, причем коррелятор реализует функцию определения значения дисперсии приращений сигналов на основе возведения в квадрат разностных значений коррелируемых сигналов с линейных фотоприемников в цифровом виде, а интерполятор выполнен в виде блока, реализующего интерполяцию по формуле:
<mrow><mover><mi>χ</mi><mo>^</mo></mover><mo>=</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><mover><mi>χ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
m
где
- дисперсии сигналов,
- смещение, Δ - размер пикселя вспомогательного фотоприемника.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 - изображена функциональная системы стабилизации изображения;
на фиг.2 - пример выполнения функциональной схемы коррелятора, реализующего функцию определения дисперсии приращений сигналов;
на фиг.3. - пример функциональной схемы интерполятора, использующего параболическую интерполяцию взаимно корреляционной функции (ВКФ);
на фиг.4 - пример автокорреляционной функции (АКФ) изображения по результатам эксперимента до контрастирования режекторным фильтром (слева) и после контрастирования (справа) при аппроксимации дискретных замеров (показаны точками на рисунке) кривой 2-го (пунктир) и 4-го порядков (сплошные кривые).
Система стабилизации изображения содержит основной матричный фотоприемник 1, два взаимно перпендикулярных линейных фотоприемника 2 и 3, которые соединены со входами измерителя смещения, на входах которого установлены режекторные фильтр 4 и 5, выходы которых соединены с блоками задержки на строку 6 и 7 и с первыми входами корреляторов 8 и 9, со вторыми входами которых соединены выходы блоков задержки на строку, а корреляторы соединены с параболическими интерполяторами 10 и 11, установленными на выходе блока смещения. Выходы интерполяторов 10 и 11 соединены с выходами блока управления 12, выходы блока управления соединены с входами подвижного элемента 13.
Каждый коррелятор 8 и 9 реализует функцию определения значения дисперсии приращений сигналов. Функциональная схема коррелятора приведена на фиг.2. Она состоит из блоков смещения на строку и на элемент 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21; блоков вычитания 22, 23, 24; блоков возведения в квадрат 25, 26, 27; блоков сложения 28, 29, 30. Следует отметить, что обычно для вычисления взаимной корреляции соседних строк используется операция умножения, которая достаточно сложна для аппаратной реализации. Авторами предлагается перейти от прямого вычисления произведений разных сигналов к несколько более просто организуемой операции возведения в квадрат. Анализ в пакете Quartus II фирмы Altera для семейства микросхем программируемой логики Cyclone IV GX показывает, что непрямое вычисление корреляции требует примерно в 2,7 раза меньше вычислительных ресурсов, чем прямое вычисление. Это обусловлено тем, что возведение в квадрат проще, чем умножение, и тем, что благодаря вычитанию коррелированных сигналов уменьшается разрядность накапливающих сумматоров. При этом общая сложность меньше, чем требуемая для вычисления ВКФ, за счет отказа от нормировки накопленных статистик. Такая возможность связана с целью измерения не функции корреляции изображения, а лишь аргумента ее максимума.
<mrow><mover><mi>χ</mi><mo>^</mo></mover><mo>=</mo><msub><mi>Δ</mi><mi>m</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>/</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>2</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>−</mo><mn>2</mn><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Интерполяторы выполнены в виде блоков, реализующих интерполяцию по формуле
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mn>1</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><mover><mi>χ</mi><mo>^</mo></mover></mrow>
m
где
- дисперсии сигналов,
- смещение, Δ - размер пикселя вспомогательного фотоприемника. Функциональная сзема интеполятора приведена на фиг.3. Она содержит: буферные блоки 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39; блоки вычитания 40 и 41; блоки умножения на два 42 и 43; блок деления 44; блок сложения 45.
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mn>0</mn></msub><mo>,</mo><msub><mi>D</mi><mrow><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
Параболический интерполятор был предложен исходя из тех соображений, что параболическая интерполяция значений дисперсий (Фиг.4)
обеспечивает максимальную потенциальную точность измерения смещения и, в конечном счете, стабилизацию изображений с маскированием шумом смаза изображения несмотря на возмущения визирной оси телекамеры.
Устройство работает следующим образом.
Сигналы с линейных фотоприемников 2 и 3, работающих с существенно большей кадровой частотой по сравнению с основным матричным фотоприемником 1, передаются в режекторные фильтры (декорреляторы сигнала) 4 и 5, где происходит контрастирование взаимно корреляционных функции (ВКФ).
Далее сигналы поступают на блоки задержки на строку 6 и 7 для формирования исходных и задержанных на строку сигналов. В корреляторах 8 и 9 происходит вычисление ВКФ для дискретных значений сдвига (на целое число пикселов). На вход коррелятора приходят данные с линейных фотоприемников в цифровом виде, далее происходит вычисление корреляции между этими данными и определяются соответствующие значения трех дисперсий для сигнала в различные моменты времени. Далее сигналы с выходов корреляторов 8 и 9 поступают на входы параболических интерполяторов 10 и 11. В параболических интерполяторах 10,11 происходит вычисление смещения как целочисленного относительно пикселов изображения, так и дробного (так называемая субпиксельная точность измерения). Интерполятор производит математические операции и буферизацию данных в соответствии с формулой (1). Форма АКФ получена для субпиксельных смещений, целесообразность ее применения доказана рядом модельных и физических экспериментов. Далее блок управления 12 выдает сигналы подвижному элементу 13 для компенсации возмущений.
Особенностями предлагаемого устройства являются:
- Система стабилизации изображения, основанная на прецизионном измерителе смещения изображений, является приложением новой парадигмы видеоинформатики, которая выдвигает на первый план извлечение максимума полезной информации из потока фотонов при наличии возмущений, а не просто констатирует деградацию разрешения из-за смаза.
- Прецизионное измерение смещения изображений должно учитывать квадратичный вид автокорреляционной функции при малых смещениях.
Описание устройства и его работы доказывает достижение технического результата - улучшение стабилизации изображения, а именно уменьшение смаза изображения, которое являются результатом уменьшения погрешности измерений смещения.