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 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 первый блок памяти на кадр и сумматор, первый вход которого является входом устройства, а второй вход подключен к выходу первого блока памяти на кадр, введены второй, третий и четвертый блоки памяти на кадр, вычитатель, первый и второй блоки сравнения, первый и второй коммутаторы. Причем, вход устройства соединен также с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен ко входу первого блока памяти на кадр, первым входом вычитателя и входом второго блока памяти на кадр. Выход сумматора соединен со вторым входом первого коммутатора и через четвертый блок памяти соединен с первым входом второго коммутатора и входом второго блока сравнения. Выход второго блока памяти на кадр подключен ко второму входу вычитателя, выход которого соединен с первым входом первого блока сравнения, на второй вход которого подан код порогового значения межкадровой разности. Выход первого блока сравнения соединен с управляющим входом первого коммутатора и входом управления записью второго и четвертого блока памяти на кадр. Первый вход второго коммутатора подключен к первому входу второго блока сравнения и выходу сумматора. Второй вход коммутатора подключен к выходу третьего блока памяти на кадр и ко второму входу второго блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, выход которого соединен со входом третьего блока памяти на кадр и 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 техническому решению 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 первый блок памяти на кадр и сумматор, первый вход которого является входом устройства, а второй вход подключен к выходу первого блока памяти на кадр, введены второй, третий и четвертый блоки памяти на кадр, вычитатель, первый и второй блоки сравнения, первый и второй коммутаторы. Причем, вход устройства соединен также с первым входом первого коммутатора, выход которого подключен ко входу первого блока памяти на кадр, первым входом вычитателя и входом второго блока памяти на кадр. Выход сумматора соединен со вторым входом первого коммутатора и через четвертый блок памяти соединен с первым входом второго коммутатора и входом второго блока сравнения. Выход второго блока памяти на кадр подключен ко второму входу вычитателя, выход которого соединен с первым входом первого блока сравнения, на второй вход которого подан код порогового значения межкадровой разности. Выход первого блока сравнения соединен с управляющим входом первого коммутатора и входом управления записью второго и четвертого блока памяти на кадр. Первый вход второго коммутатора подключен к первому входу второго блока сравнения и выходу сумматора. Второй вход коммутатора подключен к выходу третьего блока памяти на кадр и ко второму входу второго блока сравнения, выход которого соединен с управляющим входом второго коммутатора, выход которого соединен с входом третьего блока памяти на кадр и является выходом устройства.

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 с максимальными значениями яркости из соответствующих усредняемых кадров фрагментов видеопоследовательности. Фрагменты видеопоследовательности, в которых производится усреднение цифровых кодов яркости соответствующих элементов изображения, определяются по межкадровой разности. Кадры видеопоследовательности считаются принадлежащими одному фрагменту, если межкадровая разность не превышает заданного порогового значения.

Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.1.

Устройство содержит сумматор 1, первый 2 и второй 9 коммутаторы, первый 3 и второй 4, третий 7 и четвертый 10 блоки памяти на кадр телевизионного изображения, вычитатель 5, первый 6 и второй 8 блоки сравнения.

Первый вход сумматора 1 соединен со входом устройства и с первыми входами первого коммутатора 2, вычитателя 5 и входом второго блока памяти 4. Второй вход сумматора 1 соединен с выходом первого блока памяти 3. Выход сумматора 3 соединен со вторым входом первого коммутатора 2 и через четвертый 10 блок памяти соединен с первым входом второго блока сравнения 8 и первым входом второго коммутатора 9. Выход первого коммутатора 2 соединен с входом первого блока памяти 3. Управляющий вход первого коммутатора 2 соединен с входом управления записью второго 4 и четвертого 10 блока памяти и выходом первого блока сравнения 6. Выход второго блока памяти 4 соединен со вторым входом вычитателя 5, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения 6, на второй вход которого подан цифровой код порогового значения для межкадровой разности. Выход третьего блока памяти 7 соединен со вторым входом второго блока сравнения 8 и вторым входом второго коммутатора 9. Выход второго блока сравнения 8 соединен с управляющим входом второго коммутатора 9, выход которого подключен ко входу третьего блока памяти 7 и является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На первый вход сумматора 1 с входа устройства поступают цифровые коды элементов текущего кадра изображения. На второй вход сумматора 1 с выхода первого блока памяти 3 поступают цифровые коды соответствующих элементов изображения, задержанные на один кадр. Сумматор 1 осуществляет суммирование соответствующих текущих и задержанных на кадр цифровых кодов элементов изображения с весовыми коэффициентами 0,5. С выхода сумматора цифровые коды через первый коммутатор 2 поступают на вход первого блока памяти 3 и перезаписываются в него. Считывание и одновременная перезапись цифровых кодов в блоке памяти 3 обеспечивается за счет его работы в режиме считывание-модификация-запись, при котором обеспечивается считывание информации по выбранному адресу и перезапись по этому же адресу новой информации, поступающей на вход. Перед началом работы все блоки памяти устройства (блоки 3, 4, 7 и 10) обнуляются.

Цифровые коды элементов текущего кадра изображения поступают параллельно на вход второго блока памяти 4 и первый вход вычитателя 5. На второй вход вычитателя 5 поступают цифровые коды с выхода блока памяти 4. Формируемый вычитателем 5 разностный цифровой код поступает на первый вход первого блока сравнения 6, где сравнивается с заданным пороговым значением для межкадровой разности. В случае превышения межкадровой разности заданного порогового значения блок сравнения 6 формирует управляющий сигнал «» уровня логической единицы, который подается на вход записи второго блока памяти 4 и управляющий вход первого коммутатора 2. При первоначальном сравнении нулевых цифровых кодов, считываемых с блока памяти 4, и цифровых кодов текущего сигнала, межкадровая разность, формируемая вычитателем 5, превышает заданный порог и вырабатываемый первым блоком сравнения 6 управляющий сигнал производит запись в блок памяти 4 цифровых кодов текущего кадра изображения.

Одновременно этот управляющий сигнал, поступая на управляющий вход первого коммутатора 2, переключает подачу цифровых кодов текущего кадра изображения на вход первого блока памяти 3, что обеспечивает запись в него цифровых кодов текущего кадра изображения. Таким образом, в первом блоке памяти 3 производится фиксация усредненных цифровых кодов, формируемых сумматором 1, до тех пор, пока межкадровая разность не превысит порогового значения (т.е. пока существует определенная корреляция между элементами в смежных кадрах видеопоследовательности). Как только межкадровая превысит пороговое значения (т.е., когда корреляция между элементами в смежных кадрах недостаточна), в первый блок памяти 3 заносится текущее изображение, и процесс фиксации вновь усредняемых сумматором 1 цифровых кодов возобновляется.

Цифровые коды с выхода сумматора 1 поступают также на вход четвертого 10 блока памяти и через него на первые входы второго блока сравнения 8 и второго коммутатора 9, которые совместно с третьим блоком памяти 7 обеспечивают максимизацию усредненных цифровых кодов от соответствующих элементов кадров изображений. При этом усредненные цифровые коды записываются в четвертый блок 10 памяти при поступлении на его вход управления записью управляющего сигнала от первого блока сравнения 6 и хранятся в нем до следующего управляющего сигнала от блока сравнения 6.

На второй вход второго блока сравнения 8 с выхода третьего блока памяти 7 поступают цифровые коды соответствующих элементов изображения, задержанные на один кадр. Второй блок сравнения 8 осуществляет сравнение кодов, поступающих с выхода блока памяти 10, с соответствующими кодами, поступающими от блока памяти 7, и формирует управляющий сигнал «» уровня логической единицы в случае превышения или равенства сравниваемых цифровых кодов и логического нуля, если это условие не выполняется.

Управляющий сигнал поступает на управляющий вход второго коммутатора 9 и производит переключение сигналов (цифровых кодов), поступающих на его первый вход от четвертого блока памяти 10 и на второй вход с выхода третьего блока 7 памяти. При этом, если текущий код (с выхода блока памяти 10) больше или равен задержанному (с выхода блока памяти 7), то на выход второго коммутатора 9, который является выходом устройства, пропускается текущий код с выхода четвертого блока памяти 10. Если текущий код меньше задержанного, то на выход второго коммутатора 9 пропускается задержанный код с выхода третьего блока памяти 7.

Результат сравнения перезаписывается в третий блок 7 памяти за счет его работы в режиме считывание-модификация-запись. Таким образом, устройство формирует на своем выходе цифровые коды с максимальными значениями яркости из соответствующих предварительно усредняемых элементов кадров видеопоследовательности, в которых имеется достаточная корреляционная связь (величина межкадровой разности меньше заданного порогового значения).

Заявляемое устройство быть охарактеризовано, как комбинированный цифровой фильтр, который в случае наличия корреляции элементов изображения осуществляет операцию линейного взвешенного суммирования, а при недостаточной корреляции - нелинейную (ранговую) цифровую фильтрацию путем максимизации отсчетов яркости соответствующих элементов в кадрах видеопоследовательности. За счет этого достигается формирование сигнала следов объектов с положительным контрастом, перемещающихся на неподвижном фоне. При этом в отличие от устройства-прототипа, осуществляющего только линейную операцию взвешенного суммирования, в заявляемой полезной модели сигнал от объекта не подавляется даже в случае отсутствия пространственного совпадения его реализации в кадрах видеопоследовательности. Иными словами, фиксируется все светлые объекты, появляющиеся хотя бы один раз на неподвижном темном фоне.

На фиг.2 показан результат компьютерного моделирования работы устройства. Как видно из иллюстраций, при работе заявляемого устройства отсутствует подавление полезного сигнала и, тем самым, обеспечивается более высокое отношение сигнал-шум.

Устройство может быть реализовано на цифровых микросхемах широкого применения.

Устройство цифровой фильтрации, содержащее сумматор, первый вход которого является входом устройства, и первый блок памяти на кадр, выход которого подключен ко второму входу сумматора, отличающееся тем, что введены второй, третий и четвертый блоки памяти на кадр, первый и второй коммутаторы, первый и второй блоки сравнения и вычитатель, причем вход устройства соединен с входом данных второго блока памяти на кадр, а также с первыми входами первого коммутатора, вычитателя, выход сумматора соединен с входом данных четвертого блока памяти на кадр, выход которого соединен с первыми входами второго блока сравнения и второго коммутатора и со вторым входом первого коммутатора, выход которого соединен с входом данных первого блока памяти на кадр, а управляющий вход первого коммутатора соединен с выходом первого блока сравнения и входом управления записью четвертого и второго блока памяти на кадр, выход которого соединен со вторым входом вычитателя, выход которого подключен к первому входу первого блока сравнения, второй вход которого является входом кода порога межкадровой разности, второй вход второго коммутатора подключен к выходу третьего блока памяти на кадр и ко второму входу второго блока сравнения, выход которого подключен к управляющему входу второго коммутатора, выход которого подключен к входу данных третьего блока памяти на кадр и является выходом устройства.