CC BY
84
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
ОРГАНИЗАЦИЯ РЕКУРСИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВИДЕОСИГНАЛА С ПОВЫШЕННЫМ ОТНОШЕНИЕМ СИГНАЛ/ ШУМ, ВЫПОЛНЯЕМОЙ В ПРОЦЕССЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ «СВЕТ - СИГНАЛ»
В составе телевизионно-компьютерной системы, предложена сШруктурщя-&ем.а телекамеры, в которой в реал^НОм- масштабе времени может, быть реализована рекурсивная, фильтрация, сигнала изображения. Ключевые слова: матрица ПЗС, телевизионная, система, телекамера, экспозиция.
In composition television-computer system, is offered structured, scheme of the television, camera, in which, in real scale of time can be
a marketed, recursive filtering the signal of scene.
Keywords: CCD-matrix, television system, television camera, exposure.
Приборы с зарядовой связью относятся к классу дискретно-аналоговых устройств (ДАУ). Термин «ДАУ» исторически объединяет устройства, созданные на основе трех типов технологий. Это технология приборов типа «пожарных цепочек» (ППЦ), технология ПЗС и технология приборов с коммутируемыми емкостями (ПКЕ). Фильтрация электрических сигналов при помощи ДАУ — одна из наиболее распространенных операций. В силу ряда причин в отечественной промышленности наиболее востребованной оказалась технология ПЗС. Поэтому предметом нашего внимания будут только фильтры, выполненные по технологии ПЗС.
Основные сведения о фильтрах на ПЗС
Фильтры на ПЗС оперируют с аналоговыми выборками входного сигнала, взятыми в дискретные моменты времени, т.е. представляют дискретную линей-
ную систему. Тогда фильтр на ПЗС, как разновидность этой системы, является дискретным и полностью определяется своей импульсной характеристикой №(к)}, связывающей отклик фильтра и входное воздействие [1, с. 38]:
у )к)= X к (п)х (к - п) , (1)
п= О
где у(к) — отклик фильтра в момент времени tk = кТд; х(/)=- )))| ,=;7.д — отсчет входного сигнала; Тд — период дискретизации выходного сигнала. С другой стороны, для дискретного фильтра в общем случае алгоритм формирования дискретных значений выходного сигнала соответствует следующему выражению [1, с.39]:
N-1 т
у (к)=I А,. )) (к- ) ) - £ 6 Д) (к - -) , (2)
/=0 .7=1
где а1 — весовые коэффициенты входной цепи; Ь] — весовые коэффициенты обратной связи.
Общая структурная схема дискретного фильтра, отвечающая выражению (2),
представлена на рис. 1. Каждый из элементов задержки, показанных на этой схеме, а именно: БТ1, ВТ2, БТ3... ОТп во входной цепи и БТ1, ВТ2, БТ3... БТт в цепи обратной связи, — имеет длительность, равную периоду дискретизации (Тд). Коэффициенты а1 и Ь могут принимать произвольные значения.
Если хотя бы один из коэффициентов Ь] в цепи обратной связи не равен нулю, то фильтр называют рекурсивным. Если же все коэффициенты Ь] = 0, то фильтр называется нерекурсивным или трансверсальным.
Методы выполнения рекурсивной фильтрации видеосигнала при условии преобразования «свет -сигнал» в режиме импульсного экспонирования
Здесь мы введем еще два существенных ограничения для рассмотрения вопросов фильтрации. Наше внимание будет
Вход
Выход
Рис. 1. Общая структурная схема дискретного фильтра
Вход
нала возникает при наличии мешающих телевизионному наблюдению случайных колебаний, например, при контроле качества оптических из-
делий по изображению интерферо-грамм.
Причина заключается в том, что когда для выполнения этой задачи используется обычная телекамера, возникает существенная погрешность измерений при определении временного положения положительных и отрицательных перепадов в сигнале изображения ин-терферограммы. Основная причина — смаз видеосигнала, который вызывается вибрациями объекта контроля в условиях промышленного производства. Для решения поставленной задачи по увеличению отношения сигнал/шум, точнее отношения сигнал/помеха, в отечественном изобретении [2] был предложен метод организации рекурсивной обработки видеосигнала с телекамеры на матрице ПЗС, работающей в режиме импульсного экспонирования.
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на рис. 3. Устройство для контроля интерферог-рамм содержит матрицу ПЗС, состоящую из фоточувствительной секции 1, входного регистра 2 с преобразователем «напряжение — заряд» и выходного регистра 3 с преобразователем «заряд — напряжение», а также предварительный усилитель 4, блок управ-
Выход
Рис. 2. Структурная схема однозвенного рекурсивного фильтра
уделено только рекурсивным фильтрам видеосигнала на ПЗС, которые функционируют в реальном масштабе времени при выполнении фотоприемного преобразования. Это означает, что фильтр должен быть реализован в телекамере, фотоприемником которой является матрица ПЗС, а режим разложения видеосигнала в телекамере — не отступать от телевизионного стандарта. Тогда общая структурная схема дискретного фильтра на рис. 1 существенно упрощается, преобразуясь в схему для однозвенной рекурсивной фильтрации согласно рис. 2. Необходимость применения метода рекурсивной фильтрации видеосиг-
Выход
Рис. 3. Структурная схема устройства для контроля интерферограмм согласно изобретению [2]
_РЕШЕНИЕ
ления 5, импульсный источник света или затвор в позиции 6, обеспечивающий импульсное экспонирование фотомишени матрицы ПЗС, видеоконтрольный блок 7, делитель напряжения 8 и повторитель 9.
Матрица ПЗС является односекцион-ным сенсором, выполненным по технологии «кадровый перенос». Экспозиция фотомишени 1 матрицы ПЗС происходит в интервале кадрового гасящего импульса. Длительность экспонирования определяется временем, на которое открывается затвор или включается импульсный источник света 6 под действием импульса, поступающего от блока управления 5.
Во время активной части кадра производится построчный и поэлементный сдвиг накопленного зарядового рельефа в выходной регистр 3 и формирование видеосигнала на выходе матрицы ПЗС.
С выхода матрицы ПЗС видеосигнал поэлементно умножается в делителе 8 на коэффициент К < 1, а результирующий сигнал вводится через входной регистр 2 обратно в фоточувствительную секцию 1 матрицы ПЗС. В результате к моменту начала очередного кадрового гасящего импульса в секцию 1 переписан зарядовый рельеф, причем величина зарядового пакета каждого элемента рельефа в К раз отличается от величины зарядового пакета соответствующего элемента, имевшегося там до переписывания. Однако следует отметить, что вводимый для осуществления рекурсивной фильтрации в матрицу ПЗС задержанный на кадр сигнал изображения каждого элемента фотоприемника искажается и зашумляется, т.к. подвергается двойному преобразованию: сначала «заряд — напряжение» на выходе регистра 3, а затем «напряжение — заряд» на входе регистра 2. Получается, что в борьбе за повышение отношения сигнал/шум устройства приобретается дополнительный источник шума и нелинейных искажений?! Попытка устранить эту коллизию была предпринята в изобретении [3]. Улучшение характеристик выходного сигнала изображения здесь достигается за счет исключения для задержанного видеосигнала преобразований «заряд — напряжение — заряд».
Выход
Рис. 4. Структурная схема устройства для контроля интерферограмм согласно изобретению [3]
Рис. 5. Оптическая схема для устройства согласно изобретению [3]
Т,
и, В
Рис. 6. Характеристика светопропускания ячейки 9
Структурная схема устройства для контроля интерферограмм согласно изобретению [3] приведена на рис. 4.
Новое устройство содержит матрицу ПЗС 1, которая является типовым фотоприемником с организацией «кадровый перенос», состоящим из двух секций 10 и 2 и выходного регистра 3, а также предварительный усилитель 4, блок управления 5, затвор или импульсный источник света 6, видеоконтрольный блок 7, светоделитель 8 и светоре-гулирующую ячейку 9. На рис. 5 показана оптическая схема этого устройства, а на рис. 6 приведена экспериментально снятая зависимость коэффициента пропускания ячейки 9 от величины управляющего напряжения.
Светорегулирующая ячейка 9 в изобретении [3] выполнена на основе электрохромного прибора. Ячейка представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1 — 0,2 мм, заполненный электрохром-ным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопро-водящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки. Световая характеристика ячейки (см. рис.6) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от тшш (70%) до %ш1п (1 - 1,5%) составляет для большинства ячеек ве-
личину Tmax/Tmn = 70 ■ 150 при подаче на выводы постоянного напряжения, регулируемого в пределах U = 0 ■ 1,2 В. Устройство для контроля интерфе-рограмм (рис. 4) работает следующим образом.
Интерференционная картина контролируемого объекта, как и в прототипе [2], в режиме импульсного экспонирования, который обеспечивается блоком 6, проецируется через светоделитель 8 и светорегулирующую ячейку 9 одновременно на фотоприемные секции 2 и 10 матрицы ПЗС. Длительность экспозиции определяется временем, на которое включается импульсный источник света 6 под действием управляющего импульса, поступающего от блока управления 5. Экспозиция занимает временной промежуток внутри интервала обратного хода кадровой развертки, а производится с периодом кадров Тк
Интенсивность облучения секции 10 по отношению к облученности секции 2 устанавливается при помощи управления коэффициентом пропускания т= f(U) светорегулирующей ячейки 9 таким образом, что величина зарядового сигнала в текущем кадре (n) для каждого элемента изображения в верхней секции (yn) и аналогичная характеристика в нижней секции (xn) связаны уравнением:
yn = xnxK,
(3)
осуществляется суммирование нового сигнала хп + 1 и задержанного уп. Таким образом, для каждого элемента изображения секции 2 накопления матрицы ПЗС выполняется рекурсивная фильтрация, описываемая уравнением:
Уп+1 = хп+1 + уп = хп+1 + К*хп, (4)
где уп+1 — выходная величина зарядового сигнала в (п+1)-кадре. В результате рекурсивной фильтрации происходит усреднение случайных колебаний оптического изображения объекта, вызванных, например, вибрациями. Снижение уровня флюктуаций выходной величины зарядового сигнала оценивается в .-))1+К)/() - К) раз, а
теоретический выигрыш в отношении сигнал/шум W в децибелах составит:
¥=20igJ(l+K)/(l-K)
(5)
Рекурсивная фильтрация по уравнению (4) происходит в матрице ПЗС с зарядовыми компонентами текущего и задержанного на кадр сигналов изображения без дополнительных преобразований задержанного сигнала, т.к. исключен сам процесс дополнительных преобразований для сигнала уп. Поэтому точность воспроизведения изображения интерферограмм повышается за счет увеличения отношения сигнал/шум и уменьшения нелинейных искажений выходного сигнала
где К — коэффициент, выбираемый из неравенства: 0 < К < 1. В течение прямого хода кадровой развертки под действием фазных последовательностей, формируемых в блоке управления 5, производится построчный и поэлементный сдвиг накопленного зарядового рельефа из секции 2 к выходу выходного регистра 3, а также одновременное заполнение секции 2 зарядовым рельефом из секции 10. В результате к моменту окончания п-кадра зарядовый сигнал уп оказывается переписанным в секцию 2, причем величина зарядового пакета каждого элемента рельефа в К раз отличается от величины зарядового пакета соответствующего элемента, имевшегося в секции 2 до перезаписи. В последующем (п+1)-кадре производится новый цикл экспозиции для секций 2 и 10, при этом в секции 2
«Стоп»
Генератор 1 -3 управляющих импульсов
Компьютер
Линия связи 3
Рис. 7. Структурная схема телевизионной системы для регистрации по новому способу сигнала изображения интерферограмм
изображения. Однако следует признать, что в данном решении принципиально необходимо разделение светового потока по двум направлениям, а это может вызвать ошибку оптического рассовмещения смежных кадров, а, следовательно, и ошибку при выполнении самой операции рекурсивной фильтрации видеосигнала.
Новый способ выполнения рекурсивной фильтрации и устройство для его осуществления
Реализация принципа многоэлементного адаптивного накопления — крупнейшее достижение твердотельного телевидения. Физическим условием такой осуществимости является независимость амплитуды видеосигнала, снимаемого с матрицы ПЗС, от скорости считывания в широком диапазоне и линейная зависимость его от времени накопления [4, с.15—16]. Выполнение регулировки времени импульсного экспонирования и создание для фотоприемника вместо двух одинаковых по длительности смежных вспышек других, а именно: одной «длинной» и одной «короткой», — не вызывает технических трудностей. Величина же реализуемого параметра (времени зарядового накопления) закладывает в видеосигнал объективную и точную оценку распределения электромагнитного поля или плотности фотонов наблюдаемой сцены. Ниже будет показано, что повышение точности рекурсивной фильтрации может быть достигнуто путем создания для матрицы ПЗС «короткой» экспозиции оптимальной длительности при помощи дистанционного управления телекамерой с компьютера. При этом необходимое для осуществления рекурсивной фильтрации суммирование прямого и задержанного видеосигналов производится с выигрышем в отношении сигнал/шум за счет снижения шумовой составляющей. Структурная схема телевизионной системы, реализующей новый способ регистрации сигнала изображения ин-терферограмм, представлена на рис. 7. Телевизионная система имеет в своем составе на приемной стороне персональный компьютер 2, а на передающей стороне — телекамеру 1. По ли-
Таблица 1.
Наименование команды Сигнал
«Пуск» кратковременная логическая «1»
«Стоп» кратковременная логическая «1»
«Управление экспозицией» логическая комбинация в двоичном коде
нии связи 3 с компьютера в телекамеру подаются команды управления «Пуск», «Стоп» и «Управление экспозицией», а из телекамеры на компьютер транслируется композитный видеосигнал (обозначен «Видео»).
Телекамера содержит затвор 1-1, матрицу ПЗС 1-2, генератор управляющих импульсов 1-3 и усилитель-формирователь 1-4. Матрица 1-2 является сенсором видеосигнала в телекамере 1, а по схемотехническому исполнению, согласно отечественной классификации, имеет организацию «кадровый перенос», как и фотоприемник в [3], но при этом примыкающая к секции накопления 1-2-1 секция памяти 1-2-2 должна быть экранирована от света. Организация самой системы управления переносом в матрице ПЗС может быть двухфазной, трехфазной или че-тырехфазной в зависимости технологических особенностей производства фотоприемника. Будем считать, что матрица ПЗС 1-2 является фотоприемником с трехфазным управлением переносом.
На материнской плате компьютера в разъем расширения дополнительно установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования входного аналогового видеосигнала в цифровую форму, ввода цифрового видеосигнала в оперативную память с двойным периодом кадров — 2Тк, а вывода из нее с периодом кадров Тк, Выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения интерферограмм телевизионной системы.
Формирование управляющих сигналов для телекамеры «Пуск», «Стоп» и «Управление экспозицией» может быть выполнено также на плате видео или на отдельной установленной в компьютере плате управления. Характеристики транслируемых сигналов представлены в табл. 1.
Целесообразно осуществить подачу всех команд управления через унифицированный интерфейс, например, ЯЯ-232. Отметим, что выбор всех команд осуществляется с клавиатуры компьютера и/или при помощи компьютерной мыши.
Новый способ компьютерной регистрации сигнала изображения интер-ферограмм осуществляется следующим образом. Воспользуемся при изложении работы телевизионной системы (рис. 7) временной диаграммой, изображенной на рис. 8. Предположим, что расположенная в поле зрения телекамеры 1 интерфен-ционная картина объекта находится в идеально статическом положении, не испытывая случайных колебаний за счет вибрации и других регулярных механических воздействий низкой частоты. При этом допустим, что внешнее управление для телекамеры отсутствует, т.е. на всех входах управления («Пуск», «Стоп», «Управление экспозицией») присутствуют только низкие логические уровни. В этой ситуации управление затвором 1-1 осуществляется при помощи кадровых импульсов максимальной и одинаковой длительности, например, равной 1024 мкс (рис. 8б). Отметим, что относительно кадровых гасящих импульсов (рис. 8а) эти импульсы имеют задержку по переднему фронту и соответственно опережение по заднему фронту на интервал около 288 мкс. Поэтому затвор 1-1 реализует с частотой кадров «длинные» вспышки света на мишени фотоприемника при экспонировании объекта контроля. В результате обеспечивается известный импульсный режим экспонирования матрицы ПЗС и самой телекамеры. Пусть при этом эта длительность импульсного экспонирования в сочетании с мощностью излучения от источника света позволяет в телекамере обеспечить получение видеосигнала с максимальным отношением сигнал/
д
ж
и
к
-^-►
1 1 П -► п ,
—л —1 ¿min J -►
—1 Л ^тах J п
С2Тк 3 -►
111 > Mill -► MIL
1 1 1 1 ......
-►
111 1 1 1 1 Mill 1 1 1 1
111 1 1 1 1 ...... Mill 1 1 1 1
11 ( Интервал \ хранения J Ч зарядов / 1 1 ' I V с [ериод троки 11 1 1 -► 1 1 1 1
-
1 1 1 1 1 1 1 1
11 1 1 1 1 1 1
-Т-►
U
<-- -►
Рис. 8. Временная диаграмма, поясняющая работу телевизионной системы
шум. Но, если на объекте контроля возникает низкочастотное механическое воздействие, тогда в формируемом видеосигнале неизбежно появляется смаз, а в наблюдаемом с экрана мони-
тора компьютера изображении заметно ухудшается его качество за счет снижения отношения сигнал/шум. Для выполнения поставленной задачи на телекамеру с компьютера подается
сигнал «Пуск» — импульс положительной полярности.
В результате происходит «перестройка» управления фотоприемника. Временной контроллер 1-3-1 формирует новые трехфазные сигналы Ф1Пвх, Ф2Пвх и Ф3Пвх (рис. 8з...8к), которые через ПУ 1-3-2 поступают на управляющие входы секции памяти 1-2-2 матрицы ПЗС. Отметим, что в отличие от предшествующих управляющих импульсов (рис. 8д...8ж), новые сигналы с периодом 2Тк создают дополнительный интервал хранения зарядовых пакетов в секции памяти 1-2-2 в течение интервала, равного прямому ходу кадровой развертки.
Благодаря этому, под вторыми фазными шинами секции памяти фотоприемника до считывания будут суммироваться зарядовые пакеты двух накопленных смежных кадров. Если затем по команде «Управление экспозицией» из компьютера в телекамеру будет подаваться логическая комбинация в двоичном коде, то длительность одного из смежных импульсов, подаваемых на затвор 1-1, будет регулироваться как в сторону уменьшения от величины 1тах до величины как показано на рис. 8в, так и в обратном направлении для поиска оптимальной величины этой длительности.
Зависимость формируемой длительности импульса от входной кодовой комбинации в четырехразрядном двоичном коде представлена в табл. 2. Следовательно, в складываемых зарядовых пакетах смежных кадров будет дискретно регулироваться «вклад» для задержанного кадра в эту общую зарядовую сумму.
В результате горизонтальный регистр 1-2-3 и блок преобразования заряда в напряжение 1-2-4 матрицы ПЗС будет
Таблица 2
Длительность выходного импульса, мкс
1024 960 896 832 768 704 640 576 512 448 384 320 256 192 128 64
Комбинация в четырехразрядном двоичном коде
1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0
1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0
1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
построчно и поэлементно считывать информационный (полезный) видеосигнал рекурсивной фильтрации с периодом 2Тк, а в паузе между ними — только бесполезный уровень темново-го тока в секции 1-2-2 фотоприемника. На выходе усилителя-формирователя 1-4 композитный видеосигнал, подаваемый на выход «Видео» телекамеры (рис. 8л), сохраняет эти особенности сигнала изображения на выходе матрицы ПЗС.
Аналоговый видеосигнал телекамеры по линии связи 3 поступает в компьютер, на плату видео, где каждый информационный видеокадр сначала оцифровывается, а затем записывается (вводится) в оперативную память и хранится в ней в течение одного кадра. Считывание (вывод) из оперативной памяти сигнала изображения производится с периодом кадров, т.е. пропуски видеосигнала исключены.
По отношению к прототипу [2], в предлагаемом решении отношение сигнал/
шум для регистрируемого видеосигнала в ^2 раз выше, т.к. его шумовая составляющая в ^2 раз ниже. При необходимости возвращения телекамеры в исходный режим работы следует по команде «Стоп» подать с компьютера импульс положительной полярности. В телекамере будет восстановлено исходное управление секцией памяти 1-2-2 фотоприемника, исключающее суммирование зарядовых пакетов смежных кадров, а, следовательно, и устраняющее рекурсивную фильтрацию видеосигнала. С другой стороны, будет восстановлена исходная максимальная длительность tшaz, всех импульсов управляющих затвором 1-1. Одновременно на плате видео компьютера для входного видеосигнала будет выполняться его аналого-цифровое преобразование, но будут блокироваться операции ввода/вывода сигнала изображения в оперативную память.
Принимая, что в матрице ПЗС дисперсия шума преобразователя «за-
ряд — напряжение» равна дисперсии шума преобразователя «напряжение — заряд», а считывание видеосигнала из ПЗС производится не с периодом Тк, (как в прототипе), а с периодом 2Тк, получаем на выходе фотоприемника для предлагаемого решения уменьшение шума в V- раза. Соответственно, по отношению к прототипу, в ^ раз увеличивается отношение сигнал/ шум на выходе телекамеры, а, следовательно, и W для регистрируемого в компьютере видеосигнала. Второе отличие нового способа определяется созданием для фотоприемника «короткой» экспозиции оптимальной длительности при помощи дистанционного управления телекамерой с компьютера.
В результате реализации такого действия обеспечивается крайне желательное удобство выполнения регулировочных работ по оптимизации видеосигнала записи для регистрации интерферограмм, сопровождающееся улучшением труда оператора Щ
Литература
1. Балякин И.А., Егоров Ю.М., Родзивилов В.А. Приборы, с переносом, заряда в радиотехнических устройствах обработки информации. - М.: Радио и связь, 1987.
2. Авторское свидетельство 1626454 СССР, МКИ И04Ы 7/18. Устройство для. воспроизведения, изображения, интерферограмм../ К.Н. Иванов, Л.В. Мельник, О.О. Попов, А.Т. Трофимов, В.А. Ярмакович. №4493959/09; заявл. 11.10.88; опубл. 07.02.91, Бюл. № 5.
3. Патент. 2030841 РФ, МКИ И04Ы 7/18, 5/225. Устройство воспроизведения изображения интерферограмм../ В.М. Смел-ков. №5025739/09; заявл. 04.02.92; опубл. 10.03.95, Бюл. № 7.
4. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - М.: Радио и связь, 1986.
