УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ РЕЗКОСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ

Полезная модель относится к прикладному телевидению и может быть использована для автоматической коррекции резкости принимаемых оптических изображений в обзорно-визирных телевизионных системах, которые размещаются на подвижных носителях.
Работа таких телевизионных систем проходит в условиях непрерывных механических вибраций и температурных воздействий от минус 60°С до плюс 60°С, следствием которых является деформация корпуса телевизионного блока, дефокусировка изображения и снижение дальностей обнаружения и распознавания.
Известно устройство автоматической фокусировки (см. патент RU №73577, опубл. 20.05.2008, H04N 5/232), которое содержит приемный объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу телевизионной камеры, расположенную в задней фокальной плоскости объектива для приема и преобразования оптического изображения в видеосигнал с выхода усилителя видеосигнала, который подключен к первому входу процессора, ко второму входу подключен переменный резистор обратной связи кинематически связанный с приводом фокусирующего элемента.
Работа устройства состоит в измерении коэффициента резкости изображения , которая количественно оценивается, как отношение высокочастотных  спектральных составляющих в видеосигнале к величине спектральных составляющих  на низких пространственных частотах. Уровни спектральных составляющих вычисляются сигнальным процессором с использованием известных ортогональных преобразований: Фурье, Адамара.
P
P
Величина резкости K изображения рассчитывается при перемещении привода фокусирующего элемента с шагом Δ во всем диапазоне сканирования от -δ до +δ, превышающем глубину резкости 2δ. Из зафиксированных значений величин резкости изображения K выбирается номер шага Δ для которого
К недостаткам устройства следует отнести большое время, составляющее ~1 мин., фокусировки изображения и размытие изображения при установке фокусирующего оптического элемента на границы зоны сканирования, которые превышают глубину резкости изображения ±δ, что затрудняет работу оператора.
P
P
Следует также отметить, зависимость величины резкости K от статистических характеристик фона. В частности, для однородных, гладких поверхностей характерно отсутствие высокочастотных составляющих в пространственно-частотном спектре и K<<1 для всех положений привода фокусирующего элемента, что не позволяет выбрать номер шага, где коэффициент резкости  максимален.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в сокращении времени коррекции резкости изображения во всех условиях эксплуатации и повышение надежности работы при наблюдении объектов, расположенных на произвольных фонах, в том числе, однородных, «гладких».
Техническим результатом заявляемой полезной модели является получение сфокусированного резкого изображения в условиях непрерывных механических вибраций и изменений температуры.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается за счет того, что устройство автоматической коррекции резкости изображения содержит объектив с подвижным оптическим элементом, ПЗС-матрицу телевизионной камеры, расположенную в фокальной плоскости объектива, процессор, усилитель мощности, электродвигатель привода фокусировки, кинематически связанный с подвижным оптическим элементом и резистором обратной связи.
В отличие от прототипа в устройство дополнительно введены контроллер, датчик температуры, суммирующий и вычитающий усилители, причем вход контроллера связан с датчиком температуры, а выход контроллера соединен со вторым входом вычитающего усилителя, первый вход которого соединен с резистором обратной связи и вторым входом процессора, а выход вычитающего усилителя соединен с первым входом суммирующего усилителя, а его второй вход подключен к выходу сигнального процессора, выход суммирующего усилителя через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.
p
pi
Следует отметить, что технической особенностью заявленного устройства является предварительная калибровка телевизионного (ТВ) блока. Предварительная калибровка ТВ блока позволяет установить привод фокусирующего элемента в объективе ТВ блока в положение соответствующее наибольшему разрешению при включении ТВ блока, практически, мгновенно. При дальнейшей работе уточнение положения привода фокусировки проводится относительно выбранной контроллером точки предварительной калибровки по температуре. При оптимизации положения фокусирующего элемента измеряется коэффициент резкости K для последовательности текущих оптических изображений, из которых выбирается изображение с наибольшим коэффициентом K и, следовательно, количество высокочастотных составляющих максимально, что повышает вероятность обнаружения и распознавания небольших по размеру объектов и способствует увеличению дальностей обнаружения и распознавания.
Следует также отметить, что устройство автоматической фокусировки может быть выполнено в цифровом варианте, в котором отсутствуют аналоговые операции сложения и вычитания.
При этом первый вход контроллера соединен с ПЗС-матрицей телевизионной (ТВ) камеры, второй вход контроллера соединен с резистором обратной связи, третий вход контроллера соединен с датчиком температуры, а выход контроллера через усилитель мощности соединен с электродвигателем привода фокусировки.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства автоматической фокусировки.
На фиг. 2 цифровой вариант устройства автоматической фокусировки.
OC-PF
OC-PF
Устройство фиг. 1 содержит оптически связанные объектив 1 с подвижным фокусирующим оптическим элементом 2, ПЗС-матрицу 3 телевизионной (ТВ) камеры, расположенную в задней фокальной плоскости объектива 1, усилитель видеосигнала 4, соединенный с первым входом процессора 5, второй вход которого соединен с резистором обратной связи R 6, а выход процессора 5 подключен ко второму входу суммирующего усилителя 7, соединенного своим выходом через усилитель мощности 8 с электродвигателем 9 привода фокусировки, а первый вход суммирующего усилителя 7 соединен с выходом вычитающего усилителя 10, первый вход которого подключен к резистору обратной связи R 6, а второй вход соединен с выходом контроллера 11, вход которого соединен с датчиком температуры 12.
OC-PF
OC-PF
i,j
p,q
p
F
p,q
p
Процессор 5 содержит АЦП1 13 для оцифровки элементов изображения и АЦП2 14 для оцифровки напряжения обратной связи U от резистора R 6. Сигнальный процессор 15 DSP предназначен для преобразования оцифрованного изображения ƒ в его пространственно-частотный спектр F, расчетов коэффициентов резкости K и формирования составляющей управляющего напряжения фокусировки ±ΔU, что позволяет выбрать изображение с наибольшим величиной высокочастотных составляющих в F или коэффициентом резкости K.
OC
OC-PF
Контроллер 11 содержит АЦП16 для оцифровки значений температур Т°С от температурного датчика 12, запоминающего устройства 17, для хранения значений калибровочных температур Т[n] и соответствующих им величин напряжений обратной связи U[n], устанавливаемых при калибровке переменным резистором R, при которых обеспечивается максимальное разрешение в принимаемом оптическом изображении.
OC-PF
OC-PF
OC
РТ
n-1
n
РТ
Для калибровки телевизионный (ТВ) блок устанавливается соосно с коллиматором, который содержит тестовую испытательную таблицу в климатической камере, температура в которой может изменяться дискретно от -60°С до +60°С с шагом ΔT. При калибровке фиксируются значения U, при которых разрешение ТВ блока будет максимальным при установленной в климатической камере температуре. По результатам калибровки формируются массивы значений калибровочных точек по температуре Т[n] и соответствующие им значения напряжений U от потенциометрического датчика 6, которые запоминаются U[n] в контроллере 11. Составляющая управляющего напряжения фокусировки по температуре U на выходе контроллера 11 позволяет интерполировать ее значение, если измеренная датчиком 12 температура не соответствует точкам калибровки и находится в промежутке между точками калибровки T<T<T, то в этом случае управляющее напряжение U рассчитывается вычислителем 18 в соответствие с соотношением,
n
n-1
n
n-1
n
n-1
, где: Т и Т точки калибровки по температуре, U и U напряжения, соответствующие максимальному разрешению в изображении, соответственно, для точек T, T.
i
i
OC
i
upr
upr
1
F
2
РТ
OC-R
1
2
PT
OC-R
OC-PF
F
р
Автоматическая коррекция резкости, принимаемого объективом 1 оптического изображения, выполняется в следующей последовательности. При включении питания датчик 12 измеряет текущую температуру T корпуса ТВ блока. Аналоговый сигнал от датчика оцифровывается АЦП 16. Цифровой код Т[n], соответствующий текущей температуре корпуса ТВ блока T, считывается из запоминающего устройства 17 и запоминается на этапе калибровки, как цифровой код U[n] для температуры T. Управляющее напряжение U через усилитель мощности 8 поступает на исполнительный двигатель 9 и формируется, как U=K(±ΔU)+K(U-U), где K и K коэффициенты усиления суммирующего 7 и вычитающего 10 усилителей. U - управляющее напряжение, сформированное ЦАП19, U - напряжение обратной связи от R резистора 6, ±ΔU - напряжение подфокусировки, формируемое в процессоре 5 по результатам измерений коэффициента резкости K. Напряжение обратной связи поступает на первый вход вычитающего усилителя 10 и на второй вход процессора 5 для оцифровки АЦП2 14.
upr
upr
PT
p
На фиг. 2 приведен цифровой вариант устройства коррекции резкости изображения, в котором вычисляется управляющее напряжение U, поступающее на исполнительный двигатель 9. Результат вычисления управляющего напряжения фокусировки U по температуре U и коэффициент резкости K выполняются в цифре контроллером 20.
Работа устройства коррекции резкости изображения осуществляется в следующей последовательности.
F
p
urp
2
PT
OC-R
PT
OC-R
На начальном этапе фокусировки напряжение ±ΔU, формируемое в процессоре 5 по результатам измерений коэффициента резкости K, равно нулю, а управляющее напряжение, поступающее на исполнительный двигатель 9 U=K(U-U), перемещает фокусирующий элемент 2 до тех пор, пока U=U, что компенсирует температурную составляющую в ТВ блоке и обеспечивает разрешение в ТВ блоке при произвольном изменении температуры.
i,j
pT
F
pi
pi
pimax
pT
pimax
pT
F
pi
pi
pimax
Кроме температурной составляющей на разрешение принимаемого оптического изображения влияют механические воздействия, расстояние до объекта наблюдения, состояние атмосферы. Для проверки и оптимизации положения фокусирующего элемента 2 текущее изображение ƒ(x, y), поступающее от ПЗС-матрицы 3 телевизионной камеры через усилитель видеосигнала 4, оцифровывается ƒ АЦП1 13 в процессоре 5. Сигнальный процессор 15 рассчитывает коэффициент резкости K для положения привода фокусирующего элемента 2, при котором компенсируется воздействие температурной составляющей на корпус ТВ блока. Сформированное сигнальным процессором 15 управляющее напряжение - ΔU, проходя по цепи через суммирующий усилитель 7, усилитель мощности 8 и электродвигатель 9, усиливается и смещает элемент 2 на шаг - Δ ближе к ПЗС матрице. Для данного шага рассчитывается коэффициент резкости K, где i - номер шага, который по времени соответствует приему и вводу в сигнальный процессор 15 текущего кадра ТВ изображения. Количество шагов составляет 1<i<3. По результатам смещений в направлении к ПЗС матрице и вычислений K выбирается шаг с максимальным значением K>K. При условии, когда значение шага смещения элемента 2 в направлении приближения к ПЗС матрице составляет K<K, тогда поиск оптимального положения фокусирующего элемента 2 продолжается в противоположном от ПЗС матрицы направлении, т.е. удаляя фокусирующий элемент 2 от ПЗС матрицы. По управляющему напряжению +ΔU, сформированному сигнальным процессором 15, привод фокусирующего элемента 2 смещается на шаг +Δ, для которого рассчитывается K. Число шагов находится в пределах 1<i<3, где i - номер шага. По результатам смещений в направлении увеличения расстояния от ПЗС матрицы и вычислений K, выбирается шаг с максимальным значением K.
pimax
pT
pТ
При выполнении условия K<K привод элемента 2 устанавливается в положение, определяемое предварительной калибровкой ТВ блока по температуре K.
pimax
pT
F
upr
pimax
При выполнении условия K>K управляющее напряжение +ΔU, сформированное для этого шага в процессоре 5, через суммирующий усилитель 7 изменяет U и смещает привод элемента 2 в направлении +Δ. Привод устанавливается в положение, при котором K имеет максимальное значение, и процедура фокусировки по принятому ТВ блоком изображению заканчивается.