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. Задачей полезной модели и 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.

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.

1. Устройство цифровой фильтрации, содержащее сумматор, отличающееся тем, что введены блок максимизации и блок минимизации цифровых кодов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности, входы которых являются входами устройства, а выходы подключены к первому и второму входу сумматора, выход которого является выходом устройства.

2. Устройство цифровой фильтрации по п.1, отличающееся тем, что блок максимизации и блок минимизации цифровых кодов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности содержат последовательно соединенные блок сравнения и коммутатор, выход которого 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.