Устройство для определения координат объекта

 

Использование: в телевизионной автоматике в автоматических телевизионных системах слежения за подвижными объектами. Сущность изобретения: в устройстве осуществляется определение координат искомого объекта на текущем изображении (ТИ) путем корреляционного сравнения последовательных фрагментов ТИ с эталонным изображением объекта (ЭЙ), заполненным заранее. Координаты фрагмента ТИ, дающего наибольшую корреляцию , выдаются в качестве координат объекта . Вычисления сводятся к многократному применению оператором двумерной ковариации фрагмента ТИ с бинарными изображениями в разрядных средах ЭЙ. Сигнал корреляции формируется за один цикл опроса . Анализ фрагментов осуществляется в скользящем режиме. Устройство обеспечи- .вает уменьшение времени и повышение точности определения координат. 2 з.п.флы, 7 ил. (/)

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 04 N 7/18

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

L II @ é

Щ1!!:!г1-1I:.1 ., I:,1 !!l!3

Вйюдй г":;.i.. À

° .к . . эля ьйк»

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4870818/09 (22) 01.10.90 (46) 07.05,93, Бюл. N 17 (71) Научно-производственное объединение

"Астрофизика" и Томский институт автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) П.А,Бакут, И,Э.Ворновицкий, А,Г,Ильин, Г.Д.Казанцев, M.È.Êóðÿ÷èé и В.В.Ли (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1427396, кл, 6 06 К 9/36, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КООРДИНАТ ОБЪЕКТА (57) Использование; в телевизионной автоматике в автоматических телевизионных системах слежения за подвижными объектами, Сущность изобретения: в устИзобретение относится к телевизионной автоматике и может быть использовано в автоматических телевизионных системах слежения за подвижными объектами.

Цель изобретения — уменьшение времени и повышение точности определения коо рди нат.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1, Устройство содержит блок 1 управления выборкой элементов разложения поля зрения (БУВЭР), блок 2 памяти поля зрения (БППЗ), блок 3 памяти эталона (БПЭ), блок 4 определения координат (БОК), арифметический блок (АБ) 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, сдвиговые регистры (CP)

7, основные корреляторы (ОК) 8, дополнительный коррелятор (ДК) 9, блок управления корреляторами (БУК) 10. сумматор 11, блок

„„Я „„1814196 А1 ройстве осуществляется определение координат искомого объекта на текущем изображении (ТИ) путем корреляционного сравнения последовательных фрагментов

ТИ с эталонным изображением объекта (ЭИ), заполненным заранее. Координаты фрагмента ТИ, дающего наибольшую корреляцию, выдаются в качестве координат объ-. екта. Вычисления сводятся к многократному применению оператором двумерной ковариации фрагмента ТИ с бинарными изображениями в разрядных средах ЭИ. Сигнал корреляции формируется за один цикл onроса. Анализ фрагментов осуществляется в скользящем режиме. Устройство обеспечивает уменьшение времени и повышение точности определения координат. 2 з.п.флы, 7 ил. ыт ь» т весового суммирования (БВС) 12, блок 13 возведения в квадрат, коммутатор 31, вертикальный.регистр адреса (PAB) 63, гори- 00 зонтальный регистр адреса (РАГ) 64. ° и

На фиг. 2 представлена структурная схе-, Д ма коррелятора, который содержит мультиплексор 14, базовый функциональный

Эл е мент (Б Ф Э) 15, На фиг. 3 представлена функциональная схема БФЭ, содержащая ячейку ПЗ С 16, центрэльный электрод 17 якеики ПЗСЬэлек- )иь трод хранения), боковые (накопительные) а выходные электроды 18, 19 ячейки ПЗС, первый управляющий электрод 20 ячейки

ПЗ С, входную диффузную область 21 ячейки

ПЗС, первую схему И 22, второй и третий управляющие электроды 23, 24 ячейки ПЗС, схемы ИЛИ 25, 26, вторую и третью схемы И

27, 28, ячейку 29 управления, триггер 30.

1814196 случай прямоугольных матриц очевидно (N=M).

Формула (1) может быть преобразована к виду;

5.

„ Я;0 „ f.; ;; — М f «

1 (2) !

10. Последняя формула допускает выполнение вычислений в два этапа:

15 — на первом этапе вычисляются величины;

Х Zfig gij,Х Xfjj

К1.ц= Х Х fij aij

l /

40 Допустим, что отсчеты фрагмента текущего изображения (flj) хранятся в памяти а аналоговом виде, а отсчеты матрицы эталона (gij) представлены и-разрядными цифровыми кодами, т,е.

45 и

91)= Х 2 -1g($)ij, S=1 где р- коэффициент корреляции текущего 50 фрагмента поля зрения (fij) с эталоном (gjj};

f, g — соответственно средние значения видеосигнала текущего фрагмента поля зрения и эталона;

N x M — размер матрицы отсчетов видеосигнала эталона.

К1я= Х

i =1

Х 2в-1

S=1

Z Х f„g<">;=

На фиг, 4 для пояснения работы коррелятора выделена его часть, осуществляющая запись, сдвиг и хранение бинарного эталонного изображения (частный случай, размер эталона N=5), На фиг. 5 приведены рисунки, поясняющие работу схемы фиг. 4 (при N=3), На фиг. 6 приведена функциональная схема блока управления выборкой элементов разложения (БУВЭР), содержащая генератор тактовых импульсов (ГТИ) 32, триггер

33, элемент И 34, элемент ИЛИ 35, элемент

И 36, счетчики 37, 38, элемент И 39, ПЗУ микрокоманд (МК) 40, счетчики 41, 42, элемент И 43, схему 44 совпадения, коммутатор

45, дешифратор 46, счетчики 47, 48, схему 49 формирования кода предустановки, элементы И 50 — 53, сумматоры 54, 55, схему 65 управления коммутатором.

На фиг. 7 приведена функциональная схема блока управления корреляторами (БУК) вместе с горизонтальным регистром адреса (РАГ) и вертикальным регистром адреса (PAB), содержащая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 56; блок 57 формирования импульсов записи-считывания, элементы И 58 — 62, вертикальный регистр адреса РАВ 63, горизонтальный регистр адреса РАГ 64.

Рассмотрим сначала реализуемый в устройстве алгоритм обработки видеосигнала.

В каждом такте работа в BY осуществляется вычисление последовательности нормированных коэффициентов взаимной корреляции видеосигнала эталонного изображения объекта (эталона), запоминаемого в момент прицеливания с различными равными ему по размерам участками текущего изображения.

Нормированный коэффициент взаимной корреляции определяется по формуле; м

Далее для простоты рассуждений будем рассматривать матрицы квадратного вида (N х M). Обобщение формул и рисунков на — на втором этапе выполняются остальные вычисления по формуле (2).

При этом вычисление второго сомножителя в знаменателе (Х Х g j — N g ) можно осуществить заранее один раз (в процессе начального формирования эталона) и хранить его в памяти устройства в виде константы.

В предлагаемом устройстве вычисления первого этапа осуществляются параллельно за время одного синхротакта с помощью специализированных блоков — корреляторов на ПЗС 8.

Рассмотрим отдельно алгоритм вычисления первого этапа на примере вычисления ковариации; где g®ij= (1 — значение s-ro разряда цифрового,кода элемента 9л, В этом случае алгоритмы вычисления ковариации можно представить в виде

N л

Х fij gij= Х Х fij Х2 9Ц)=

j =1 S =1

1814196 9

2з-1 К (з)

S=1

К(5) = К(Б) !

Для определения частных ковариаций в и предлагаемом устройстве используются основные корреляторы 8, являющиеся основ- 4р ными функциональными элементами устройства. (Подробное описание построения и работы коррелятора приведено на стр. 15). Каждый коррелятор имеет аналоговый вход А, совокупность бинарных входов 45 (11 „.,1(ч), входы координатных шин ((Д )1), (Д 2)), управляющие входЫ (Р1, f 2, Я, R1 R2)

1) " и два выхода (Н1, Нз). Через аналоговый вход в аналоговую память коррелятора (представляющую собой матрицу ПЗС-яче- 5р д ек) записываются отсчеты аналогового видеосигнала текущего фрагмента входного изображения. По бинарному входу в бинарную память коррелятора поступает бинарное иэобРажение соответствУющего 55 с разрядного среза эталона. На каждом из двух выходов коррелятора в момент опроса формируется соответствующая сумма отсчетов видеосигнала фрагмента входного иэображения (соответственно для нулевых где К < 9 Х Х fi) g ) ) — есть частная кова(S) (3) !

5 риация матрицы (б)) с бинарным изображением (g(>)), соответствующим сечению по

s-му разряду кодов отсчетов видеосигнала в цифровом представлении матрицы эталона, т,е. частная ковариация К (, 9 — есть сумма элементов матрицы (f()), соответствующих единичным элементам матрицы бинарного изображения (g(ilk Таким образом, ковариация К(, 9 может быть вычислена с помощью раздельного вычисления частных ковариаций фрагмента входного изображения с бинарными иэображениями в соответствующих разрядных срезах цифроеого представления матрицы эталона и последующего весового суммирования полученных частных ковариаций (с весами соответствующих двоичных разрядов)„

В свою очередь, каждая частная ковариация может быть представлена в виде суммы столбцовых ковариаций;

25 где К r, 9)= 2. fi);g ) — ковариация j-го стол- 30 (s) (s)

} бца входного фрагмента c J-м столбцом бинарного изображения матрицы эталона в

s-ом разрядном срезе, т,е. частная ковариация равна сумме ковариаций отдельных З5 столбцов. и единичных элементов бинарного изображения), Из приведенного краткого описания видно, что с помощью коррелятора на ПЗС можно вычислить также и среднее значение элементов входного фрагмента. Для этого необходимо либо подать на бинарный вход коррелятора опорное изображение, состоящее только из единичных элементов (в результате чего на одном из выходов в момент опроса будет сформирована сумма всех отсчетов фрагментов входного изображения), либо просуммировать оба выходных сигнала коррелятора.

Рассмотрим теперь работу устройства в целом.

Функционирование устройства осуществляется в тактовом режиме синхронно с работой приемного устройства телевизионного координатора. В каждом такте (кадре телевизионной развертки) в блок памяти поля зрения 2 по входу 1 (см. фиг, 1) поступает видеосигнал машинного стандарта разло жения изображения, отображающей поэлементное разложение изображения в поле зрения координатора (изображение объекта и прилегающего фона) в виде прямоугольной матрицы постоянного формата, каждый элемент который представляет собой среднюю величину видеосигнала в пределах одного элемента дискретизации (машинного дискрета).

Угловые размеры одного машинногодискрета, выраженные в элементах разложения телевизионного растра, определяются выбранным масштабом разложения, начальное значение которого задается в начальный момент слежения оператором (с омощью органов ручного управления — пуем стробирования изображения объекта на кране видео-контрольного устройства) или втоматическим обнаружителем.

В процессе слежения на объектом велиина масштаба регулируется с учетом изме-. ения текущей дальности для обеспечения езависимости видеосигнала машинного тандарта разложения от дальности, Формирование видеосигнала машинноо стандарта разложения осуществляется не BY в соответствующем устройстве, вхоящем в состав координатора.

В частном случае функции блока памяти зображения в поле зрения может аыпол- ять и сам телевизионный датчик изображеия, если он допускает неразрушающее читывание видеосигнала машинного станарта непосредственно с приемника изоражения, (Например, может быть спользован матричный координатно-адреуемый приемник с интегральным опросом

1814196

l на приборах с зарядовой инжекцией (ПЗИ) (3).

Начальное считывание эталонного изображения объекта из блока памяти поля зрения 2 и его запоминание в основных корреляторах 8 осуществляется с приходом импульса начала цикла (ИНЦ) по входу П (в момент начального выбора эталонного изображения объекта) с помощью блока управления выборкой элементов разложения поля зрения 1 по координатам, поступающим в блок 1 по входу III извне (от автоматического обнаружителя или с органов управления оператора).

При этом блок управления выборкой элементов разложения поля зрения 1, осуществляет последовательное считывание элементов разложения видеосигнала эталонного изображения цели из блока памяти поля зрения 2 через коммутатор видеосигнала 31 и АЦП б в блок памяти эталона 3, Элементы разложения эталонного изображения далее поразрядно поступают с выхода блока памяти эталона на сдвиговые регистры, выходы которых поразрядно соединены с бинарными входами корреляторов. Информация об эталоне вводится в коррелятор по столбцам, при этом одновременно с обновлением информации в первом столбце записанная ранее информация сдвигается на один шаг вправо. Запись следующего столбца будет произведена после обновления информации в сдвиговых регистрах 7. Предусмотрена также возможность независимого ввода эталона в блок памяти

3 извне по входу И. Такая необходимость может возникнуть при априорном задании эталонного изображения ипи при обновлении его в процессе слежения.

Определение частных ковариаций Кг,9 осуществляется в соответствующих основных корреляторах 8, в каждый из которых через аналоговый вход поэпементно поступает один и тот же фрагмент входного изображения.

В момент опроса корреляторов полученные частные ковариации поступают на соответствующие входы блока весового суммирования 12, где они умножаются на веса соответствующих двоичных разрядов и суммируются, В результате на выходе блока весового суммирования вырабатывается сигнал ковариации фрагмента входного изображения с эталоном.

Одновременно в сумматоре 11 осуществляется суммирование обоих выходных сигналов одного из основных корреляторов, в результате чего на .выходе сумматора 11 формируется сигнал гуммы фрагментов входного изображения:

После завершения просмотра и корреляционной обработки всех возможных взаимных положений фрагментов текущего и эталонного изображений на выходе блока определения координат будут присутствовать координаты фрагмента, имеющего наибольшую корреляцию с эталоном, Полученные кпординаты вл даются из BY на

Формирование слагаемого Х Х f л

I осуществляется с помощью блока возведения в квадрат и дополнительного коррелятора 9, В бинарной памяти дополнительного коррелятора 9 постоянно хранится изобра"О жение, все элементы которого имеют значение "единица" (возможен также и второй способ осреднения, упомянутый выше, см. стр. 12, путем суммирования сигналов на обоих выходах коррелятора).

Таким образом, на выходе дополнительного коррелятора будет сформирована сумма квадратов всех элементов текущего фрагмента входного изображения.

Все вычисления первого этапа выполняются одновременно за один цикл опроса корреляторов.

В результате на входах арифметического блока 5 присутствуют все операнды, необходимые для определения по формуле (2) нормированного коэффициента взаимной корреляции текущего фрагмента входного изображения с эталоном.

Получаемый в результате вычислений коэффициент корреляции с выхода арифме3О тического блока, поступает в блок определения координат 4, на другой вход которого из блока управления выборкой элементов разложения поля зрения 3 поступают коды координат текущего фрагмента входного изображения в поле зрения координатора.

Для получения нового значения коэффициента корреляции необходимо произвести относительный сдвиг фрагмента текущего изображения относительно эталона, после

4О чего цикл работы вычислительного устройства повторяется, В блоке определения координат каждое новое значение коэффициента корреляции сравнивается по величине с наибольшим из

45 полученных ранее коэффициентов. Если новое значение больше запомненного ранее, то оно запоминается в регистрах блока определения координат вместе с координатами соответствующего фрагмента текущего изображения, 1814196

10 привода системы слежения в качестве коор- относительный сдвиг текущего иэображединат обьекта. ния и эталона.

В предлагаемом устройстве процедура Взятие каждого нового значения коваотносительного перемещения и сравнения риаций К(., требует предварительной эаэталонного и текущего изображений реали- 5 писи фрагмента текущего иэображения в зуется в основных корреляторах 8, построе- корреляторы, которое соответствует очение и работа которых описаны ниже, редному сдвигу текущего изображения отКоррелятор 8 (фиг. 2) работает следую- носительно эталона. При этом возможна щим образом. оптимизация режима работы коррелятора, Как видно изсхемы, представленной на 10 которая заключается в следующем. фиг, 2, совокупность базовых функциональ- Последовательный просмотр фрагменных элементов (БФЭ) 15 образует N линей- . тов входного изображения осуществляется ных корреляторов по M ячеек в каждом из под управлением блока 1 путем строчноних, кадрового сканирования: сначала выбираютАналоговый сигналтекущегоизображе- 15 ся фрагменты в направлении строки с ния подается на аналоговый вход А корре- заданным шагом, по завершении очередной лятора, соединен ный с аналоговыми строки осуществляется шаг вниз и затем провходами всех БФЭ. Выбор ячейки, в кото- сматриваются в противоположном направлерую производится запись текущего отсчета нии фрагменты следующей строки и т.д. видеосигнала в данный момент времени, 20 Поскольку шаг сканирования определяопределяется состоянием координатных ют точность определения координат полошин коррелятора. При подаче уровня "1" на жения обьекта, то обычно его стараются горизонтальную и вертикальную координат- сделать по возможности меньше, вплоть до ные шины открывается для записи БФЭ, одного элемента видеосигнала машинного соответствующий пересечению этих коор- 25 стандарта разложения, В результате любые динат шин, два соседних по очередности выборки фрагЗапись бинарного сигнала в соответст- мента изображения имеют значительное вующем разрядном срезе эталонного изо- перекрытие, поэтомудляосуществленияопбражения, производится на входы 11 .„1g ределенного таким образом пофрагментномультиплексоров 14, выходы которых сое- 30 ro скользящего анализа входного динены с бинарными входами линейных - изображения нет необходимости считать корреляторов, образованных последова- полностью каждый очередной фрагмент из тельным (вдоль строк) соединением БФЭ. блока памяти поля зрения, Информация об эталоне, как уже упомина- Для этого достаточно присвоить новые лось, вводится в коррелятор по столбцам, 35 номера строкам(или столбцам) предшествупричем за один такт записи (по сигналу) на ющего фрагмента, являющимся общими для втором 5 (управляющем) входе коррелятора предшествующего и нового фрагментов, а обновляется информация об эталоне в пер- затем считать из блока памяти поля зрения вых БФЭ линейных корреляторов, образую- недостающие новые строки (или столбцы) щих левый столбец матрицы БФЭ. 40 нового фрагмента изображения с присвоеИнформация, записанная ранее в осталь- нием им соответствующих номеров. ные БФЭ матрицы, также обновляется пу- В качестве иллюстративного примера тем перезаписи информации из рассмотрим ситуацию когда фрагмент иэопредыдущего (левого) столбца в последую- бражения, состоящий из M столбцов, послещий (правый) столбец, т.е, путем одновре- 45 довательно смещается вправо на один менного сдвига всей запомненной ранее столбец на каждом шаге: информации на 1 шаг вправо, Пусть первый фрагмент записан в масПосле записи текущего и эталонного сиве памяти из Мсегментов(поодномусегизображения в коррелятор производится менту на столбец) с начальной нумерацией взятие частной ковариации К f, g. сигнал 50 сегментов: 1, 2, 3, ..., М вЂ” 1, М, которой формируется на первом Н> и треть- Перенумерация сегментов памяти поем Нз выходах коррелятора при подаче уп- сле первого сдвига вправо получается из равляющих сигналов на третий R< и начальной нумерации циклическим сдвигом четвертый Вг(управляющие) входы. (Деталь- на один элемент вправо: М, 1, 2, 3, ..., M-1. ное пояснение механизма формирования 55 При этом крайний правый недостающий выходного сигнала приведено далее при столбец нового фрагмента необходимо заописании БФЭ и линейных корреляторов, писать в сегмент с новым номером M (котосм. стр. 19). рый в старой нумерации был первым)..

Для взятия очередного значения чувст- Следующий сдвиг вправо на один столбец ной ковариации необходимо осуществить даст новую нумерацию сегментов памяти, 1814196

M— - 1, М, 1,2,3,. „М вЂ” 2, Причем новый столбец опять записывается в сегмент с новым номером M и т,д. По аналогии при сдвиге фрагмента влево. на один столбец необходимо провести перенумерацию сегментов памяти с помощью циклического сдвига влево, а затем записать недостающий столбец (левый столбец нового фрагмента) в сегмент G новым номером 1.

Аналогично может быть осуществлен сдвиг фрагмента вверх (или вниз) на одну строку.

Для этого необходимо осуществить циклический сдвиг номеров строк в выбранном направлении на единицу, а затем записать новую информацию, в строку с номером 1 (или N), В общем случае при сдвиге фрагмента на несколько строк или столбцов необходиМ0 осуществить соответствующую циклическую перенумерацию строк или столбцов в памяти, а затем записать недостающую информацию в соответствии с новой нумерацией. Следует отметить, что в интересах упрощения реализации, иногда может оказаться полезным очередность выполнения перенумерации и собственно записи ïîìåнять местами.

Таким образом, циклическая перенумерация строк или столбцов в массиве памяти при каждом переходе к новому фрагменту изображения позволяет осуществить считывание из блока памяти поля зрения только новой части фрагмента при сдвиге по строке или по кадру, Физически описанный выше процесс перенумерации записанных в память элементов фрагментов изображения, может быть осуществлен двумя способами — либо соответствующей переиндексацией адресов сегментов памяти, либо путем физического сдвига самой информации в памяти.

Преимуществом описанного способа выборки элементов из блока памяти поля зрения является сокращение более чем на порядок количества обращений к ней. Если считываемые описанным выше способом последовательные фрагменты входного изображения подвергаются затем корреляционной обработке с эталоном, то при каждой перенумерации сегментов памяти фрагмента входного изображения, точно такая же перенумерация должна быть выполнена и в памяти эталона для того, чтобы при вычислении корреляционной функции сохранить взаимное соответствие элементов разложения текущего фрагмента и эталона, Это может быть произведено путем относительного циклического сдвига эталона относительно матрицы коррелятора, в которой

55 записано текущее изображение. Режим циклического перемещения эталонного изображения относительно матрицы осуществляется путем соответствующего переключения выходов и входов линейных корреляторов с помощью мультиплексоров

14, управляемых сигналами, поступающими на пятый Pl и шестой Р2 (управляющие) входы, при этом сигнал тактовой синхронизации (продвигающий импульс) поступает на второй (управляющий) вход коррелятора.

Более подробно работа коррелятора в данном режиме описана далее на с. 23, Переходим к описанию работы базового функционального элемента (БФЭ), схема которого изображена на фиг, 3, На фиг. 3 приведена схема БФЭ, на которой приняты следующие условные обозначения;

Д1, Д2 — входы первой схемы И (координатные входы БФЭ);

А — аналоговый вход;

Н>, Нг, Нз — первый, второй и третий накопительные электроды соответственно;

Б1, Б2 — бинарный вход и бинарный выход;

R>, Rz — входы схемы управления 30; . S — шина импульсов сдвига, Триггер 30 представляет робой один разряд двоичного сдвигового регистра, Путем последовательного соединения таких элементов может быть образован сдвиговый регистр нэ необходимое число разрядов. Работа БФЭ осуществляется следующим образом.

В ПЗС-ячейку 16 поступает заряд пропорциональный входному аналоговому сигналу из входной диффузионной области 21 (вход А) через передающий электрод записи

20, который управляется выходом первой схемы И 22. Запись заряда в ПЗС-ячейку осуществляется при одновременном нали-. чии сигналов на обоих координатных входах

EL и Д2

В ПЗС-ячейке 16 заряд может сдвигаться между тремя областями — центральной и двумя боковыми — в зависимости от соотношения потенциалов, приложенных к накопительным электродам 17, 18 и 19, проходящим нэд соответствующими областями ПЗС-ячейки.

Три области хранения заряда в ПЗСячейке разделяются потенциальными барьерами, которые формируются с помощью двух управляющих электродов 23 и 24, подключенных к выходам первой 25 и второй 26 схем ИЛИ.

В начале каждого цикла опроса оба пе- редающих электрода 23 и 24 открыты (потенциальные барьеры отсутствуют) и заряд

13

1814196

14 собирается в центре ПЗС-ячейки поддейст- снова переводятся под центральный электвием потенциала центрального электрода род Н путем создания под ним потенциаль17, Затем передающие электроды 23 и 24 ной ямы и последующей подачи импульса закрываются, а потенциалы выходных нако- управления на вход управления передаюпительных электродов 18 и 19 изменяются 5 щими затворами. таким образом, что под ними образуются Считывание информации с электродов потенциальные ямы, Затем (в момент опро- Н1 и Нз может осуществляться любым станса) открывается один или другой из переда- дартным способом, например, по схеме выющих электродов 23 или 24 в зависимости . вода заряда с плавающими затворами (4). от состояния триггера 30 ("0" или "1"), и 10 После ввода заряда под центральный заряд ПЗС-ячейки перетекает в соответст- электрод Н, но до открытия передающих вующую потенциальную яму. При этом в ре- затворов ПЗ1 и П32, области под электродазультате сдвига заряда в ПЗС-ячейке на ми Н1 и Нз заряжаются до напряжения писоответствующем выходном измеритель- тания -Епи, таким образом, чтобы номэлектроде18или19возникаетнаведен- 15 потенциальные ямы под электродами Н> ный сигнал, пропорциональный величине и Нз были больше, чем под центральным сдвигаемого заряда. электродом Hz (см. описание работы БФЭ, При этом сами заряды в ПЗС ячейках не приведенное выше) и затем изолируются от удаляются и могут быть измерены повторно, указанного источника, при следующем цикле опроса.. 20 Полученный таким образом заряженПри записи аналогового сигнала выбо- ный "конденсатор", одной обкладкой котора очередной ПЗС-ячейки в матричном на- рого является заряженная область под боре осуществляется подачей импульсов на электродом Н1 (Нз), а другой сам изолиросоответствующие координатные шины Д1и ванный электрод Н1 (Нз), сохраняет свой

Д . В результате на затвор записи 33 вы- 25 заряд до открытия одного из электродов бранной ПЗС-ячейки подается напряжение, П31 или П32, Заряд, находящийся под элекоткрывающее его на время записи, и инжек- т родом Н вычитается из заряда "конденсатируемые из входной области ввода заряда тора" и это изменение заряда и под шиной А заряды стекают в потенциаль- регистоируется в качестве сигнала коварианую яму под электродом Н-1, на который для 30 ции К r, я. На рисунках для простоты схема этого предварительно подается соответст- считывания не показана, вующее напряжение, Затем на централь- При последовательном соединении неный электрод Hz подается потенциал, скольких БФЭ образуется линейный набор, образующий под ним более глубокую потен- в котором накопительные электроды являциальную яму, чем под электродом Н1. По 35 ются общими для всех ПЗС-ячеек, а тригге- . команде передачи заряда под электродом ры 30 всех БФЭ образуют один сдвиговый

Hz, поступающей на вход Rz, схемы ИЛИ 25, . регистр бинарного сигнала, Образованный

26 открывают передающие затворы П31 и таким образом линейный коррелятор позвоП32 и зарядовый пакет перетекает под цент- ляет осуществлять корреляцию аналогового ральный электрод Íz. Для считывания сигна- 40 сигнала, записанного в ПЗС-ячейках, с двола ковариации К <, ц электроды Н1 и Нз ичной последовательностью, хранящейся в (з) предварительно заряжаются до потенциала, сдвиговом регистре. При каждом опросе лисоздающего под ними более глубокие потен- нейного коррелятора на общих выходных циальные ямы, чем под электродом Hz. В со- электродах Н1 и Нз суммируются сигналы, ответствии с состоянием триггера 30 (в 45 наведенные при сдвиге зарядов в ПЗС-ячейсоответствующем разряде сдвигового регист- ках различных БФЭ, ра) в момент прихода импульса на вход управ- . При этом на одном из выходных электления R> на выходе одной 25 или другой 26 родов суммируются сигналы в ПЗС-ячейках, схем ИЛИ появляется сигнал, обеспечиваю- соответствующих нулям в двоичной послещий перетекание зарядового пакета из под 50 довательности, а на другом — единицам, центрального электрода Н в потенциальную Осуществляя перед каждым опросом сдвиг яму под одним из электродов Н1 или Нз, двоичной последовательности в сдвиговом

При одновременном сдвиге зарядов во, регистре, можно получить различные отсчевсех ячейках ПЗС-матрицы на этих электро- ты корреляционной функции. Линейный дах наводится суммарный сигнал, пропор- 55 коррелятор подобного типа впервые был циональныи ковариации К f g . Для описан в работе (5) (см. также (6)). (з) подготовки к следующему циклу опроса ко- Коррелятор 8 включает в себя ряд литорый произойдет после сдвига информа- нейных корреляторов описанного типа, обьции R сдвиговых регистрах бинарного единенных в двумерный набор, как сигнала, зарядовые пакеты в ПЗС-ячейках показано на фиг. 2.

1814196

Ниже приводится описание работы коррелятора в режиме сканирования эталоном относительно текущего изображения.

На фиг. 4 приведена функциональная схема той части коррелятора, которая выполняет функции записи, хранения и сдвига бинарного эталонного иэображения (ЭИ), для частного случая N=5. Здесь элементы

Mx1, ..., Мх5 - мультиплексоры (31 по схеме фиг. 2), а сдвиговые регистры образованы путем последовательного соединения триггеров 30 (фиг, 3) базовых функциональных элементов 16 (фиг. 2).

В режиме записи ЭИ в коррелятор на информационные входы 11 „, 15 подается параллельный двоичный код, который содержит информацию о выбранном столбце одного из разрядных срезов ЭИ. В,этом случае управляющие потенциалы Р1 и Р равны нулю, мультиплексоры Мх1, ..., Мх5 пропускают информацию со входов 1> ... 15 на входы Д сдвиговых регистров RG1, „„

RG5 и по сигналу S, поданному на входы синхронизации регистров, информации о текущем столбце ЭИ записывается в регистры RG1, .„, RG5, а предыдущая информация сдвигается "вправо" на элемент (режим О, схематически проиллюстрирован на фиг.

5а), По окончании записи ЭИ и фрагмента текущего иэображения (ТИ) в коррелятор необходимо выполнить определенное количество сдвигов ЭИ относительно ТИ, причем в зависимости от заданной траектории ска нирования эти сдвиги должны выполняться

"влево", "вправо", "вниз", "вверх". Сдвиг

"влево" на один элемент (режим 1, фиг. 5б) выполняется при подаче управляющих сигналов Р1=0, Ps=0 и пачки сдвигающих импульсов по входу S (их число на единицу меньше, чем количество разрядов в сдвиговых регистрах).

В этом случае каждый из регистров RG1,,.„RG5 образует кольцевой сдвиговый регистр.

Сдвиг "вправо" на один элемент (режим

1, фиг. 5б) также выполняется при Р=1, P2=0 подачей только одного импульса на вход S, при этом информация в каждом столбце ЭИ (кроме последнего) сдвигается "вправо" на один элемент, а информация последнего(Мтого) столбца сдвигается в столбец с номером 1.

Сдвиг ЭИ "вниз" на один элемент (режим 2, фиг. 5в) выполняется при подаче управляющих сигналов Р1=0, Р =1 на входы мультиплексоров и пачки сдвигающих импульсов на вход S (их число в этом случае равно количеству разрядов в сдвиговых регистрах). В этом режиме регистры RG1, ..., RG5 образуют единый сдвиговый регистр, причем информация с выхода RG1 поступа- ет на вход RG2 и т.д., э с выхода RG5 поступает на вход RG1.

Сдвиг ЭИ "вверх" на один элемент (режим 3, фиг. 5г) выполняется при подаче управляющих сигналов P1=1, P2=1 на входы

Mx1, „., Мх5 и пачки сдвигающих импульсов по входу S (их число равно количеству разрядов в каждом иэ регистров RG1 ... RG5), В данном режиме выход RG5 соединен с входом RG4 и т.д., а выход RG1 — с входом RG5.

Нэ фиг. 5д приведен вариант траекто-. рии считывания информации из памяти ТИ для частного случая ТИ размером 5 х 5 эле10 считывание выполняется за 33 синхротакта (11 циклов по 3 синхротактэ, номера циклов обозначены на фиг, 5д).

На фиг. 6 представлен возможный вари20 ант функциональной схемы блока управления выборкой элементов разложения (БУВЭР), предназначенного для выработки адресов элементов разложения БППЗ и

БПЭ, кода режима (KP), кода микрокоманд (MK), координат эталона относительно теку- щего изображения

Нэ схеме введены следующие обозначения, сх.упр, — схема управления;

ИН Ц вЂ” импульс начала цикла, ГТИ вЂ” генератор тактовых импульсов;

ПЗУ МК вЂ” ПЗУ микрокоманд;

ИК МК вЂ” импульс конца микрокомэнды;

ИКР— импульс конца режима;

ИКЦ вЂ” импульс конца цикла.

БУВЭР состоит из схемы выработки КР на элементах 33, 34, 36, 37, 43; схемы выработки кода МК вЂ” на элементах 39, 38, 40;

35 схемы выработки адреса элемента раэложе40

45 ния блока памяти эталона — на элементах 39, .

41, 42, схеме совпадения 44; схемы выработки адреса элемента разложения БППЗ вЂ” на элементах 50 — 53, генераторе кода предустановки 49, дешифраторе МК 46, сумматорах

54 и 55; схемы выработки координат эталона относительно текущего иэображения — на элементах 47, 48, коммутаторе 45.

Работа БУВЭР осуществляется в трех режимах.

1. Режим записи первого фрагмента текущего изображения и эталона в корреля- . тор, 2. Режим вычисления отсчетов корреляционной функции.

3. Режим обновления эталона, Все три режима вместе составляют один цикл работы всего, устройства. Дли- тельность цикла не превышает нескольких милисекунд.

15 ментов, ЭИ 3 х 3 элементов. В этом случае

1814196

Первые два из указанных режимов выполняются в каждом кадре, В последнем режиме запись эталона в БПЭможет производиться либо из БППЗ (во время прицеливания), либо из внешнего устройства (при 5 коррекции эталона).

Третий режим осуществляется только при наличии команды необходимости смены эталона поступающей извне на схему управления (65) коммутатором 31, который 10 переключается в зависимости от кода режима на выходе счетчика 37 (Состояния счет- . чика: 00; 01; 10 — соответствуют 1-му, 2-му и

3-му режимам).

Цикл оканчивается с приходом импуль- 15 са конца цикла (ИКЦ) с элемента 43 на вход

R триггера 33 по окончании последнего, третьего, режима обновления эталона, либо по.окончании второго режима — вычисления корреляционной функции, В этом .случае 20

ИКЦ вырабатывается из импульса, поступающего со схемы управления 65. Каждый режим работы устройства состоит из выполнения ряда МК, последовательность которых хранится в ПЗУ МК, на выходе ко- 25 торого генерируется код текущей МК, Длительность всех микрокоманд одинакова и определяется работой схемы совпадения 44 и счетчика 42, который сбрасывается от схемы совпадения через элемент ИЛ,И 39 им- 30. пульсом конца МК. Код режима и код МК ° расшифровываются дешифратором МК 46, который управляет работой остальных частей схемы для выработки адресов элементов разложения БППЗ и координат для БОК. 35

Текущий адрес элемента разложения формируется из; — базового адреса координаты положения эталона на текущем изображении, кото- . рый представляет собой адрес элемента 40 текущего изображения относительно верхнего левого угла, соответствующего верхнему левому элементу при определении его положения относительно текущего иэображения; 45 — относительного смещения адреса элемента разложения относительно базового адреса; — добавки на Nэлементов,,где N соответствует числу элементов по одной из сто- 50 рон эталона (строке или столбцу), Все эти три составляющих подаются на сумматоры вертикальной и горизонтальной, адресации (54 и 55) соответственно со следующих элементов: базовый адрес — со счет- 55 чиков 47 и 48: относительное смещение — с элементов 50 и 51; добавка — с элементов 52 и 53.

В первом режиме работы выполняется микрокоманда записи в коррелятор столбца эталона и столбца текущего изображения такой же длины, поэтому код развертки МК, являющийся относительным смещением, поступает на сумматор вертикальной адресации 54. Импульс конца MK через коммутатор 45 поступает на вход +1 счетчика 48, увеличивая тем самым состояние его на единицу, что эквивалентно адресации к следующему столбцу считываемого фрагмента, Количество МК в этом режиме равно количеству столбцов в эталонном изображении.

Во втором режиме происходит вычисление отсчетов корреляционной функции. Это реализуется с использованием трех микрокоманд — "сдвиг вправо", "сдвиг влево" и

"сдвиг вниз", отличающихся тем, что в них соответственно происходит считывание сегмента текущего иэображения из N элементов справа, слева или снизу от фрагмента текущего изображения, находящегося в КМ, Путем чередования этих МК осуществляется сканирование всех фрагментов текущего иэображения относительно эталона. Каждому фрагменту соответствует один отсчет корреляционной функции. В этом режиме при сдвиге вправо добавка поступает только на сумматор горизонтальной адресации

55, при сдвиге вниз — только на сумматор вертикальной адресации 54, а при сдвиге влево не поступает ни на один из сумматоров. Код развертки поступает на сумматор вертикальной адресации 54 при сдвиге влево и вправо и на сумматор горизонтальной адресации 55 при сдвиге вниз. Импульс конца МК в конце каждой МК увеличивает состояние счетчика 48 при сдвиге вправо, счетчика 47 при сдвиге вниз и уменьшает состояние счетчика 48 на единицу при сдвиге влево. Количество МК во втором режиме равно количеству отсчетов корреляционной функции.

В третьем режиме обновления эталона отдельной микрокомандой является обновление столбца эталона. Третий режим ана,логичен первому за исключением того, что в нем возможна предустановка счетчика 47 и 48 по параллельному входу для перезаписи в качестве эталона указанного фрагмента текущего изображения из БППЗ, На фиг. 7 приведен один из возможных вариантов реализации функциональной схемы блока управления корреляторами (БУК), который предназначен для выработки управляющих сигналов необходимых для работы коррелятора S;P1, Р, R>, R2; координатных сигналов

Х и Y для выбора БФЭ; а также сигналов управления, поступающих на шины Н>, Н и

Нз БФЭ.

1814196 чсо

15

40

5 c.) В состав БУК входит ПЗУ 56, элементы

И 58 — 62 и кольцевые сдвиговые адресные регистры PAB и РАГ, (63 и 64), Единичное состояние на выходе одного из разрядов каждого регистра указывает столбец и строку БФЭ, выбранного для записи очередного значения элемента текущего изображения.

Состояние выходов обоих регистров может быть циклически сдвинуто как вправо так и влево по тактовому импульсу на входе С регистров путем подачи соответствующего разрешающего сигнала на входы R либо L.

Временная последовательность выработки импульсов Р1, Р2, R1 В2, Я, координатных сигналов X u Y определяется логикой работы коррелятора в каждой микрокоманде. Код MK совместно с кодом развертки MK поступает на дешифратор МК, выполненный на ПЗУ 56, с выходом которого соответствующие управляющие сигналы поступают на KM и РАВ, РАГ, либо стробируют тактовые импульсы на элементах 58 — 62, Управляющие потенциалы на шины Н1, Н2 и Нз, необходимые для работы каждого

БФЭ коррелятора, вырабатываются с приходом каждого тактового импульса в блоке формирования импульсов записи — считывания (БФИЗС) 57, Форма и временное положение этих импульсов определяется работой БФЭ в соответствии с циклограммой, описанной выше.

В описанном устройстве существенное (в десятки и сотни раз) повышение быстродействия достигается за счет практически полного распараллеливания выполнения операций корреляции на уровне их физической реализации, Формула изобретения

1. Устройство для определения координат обьекта, содержащее блок определения координат, выход которого подключен к выходу и блоку управления выборкой элементов разложения, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входами блока памяти эталона, блока определения координат, коммутатора и блока памяти поля зрения, выход которого соединен с вторым входом коммутатора, первый выход которого подключен к второму входу блока памяти эталона, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения координат, введены арифметический блок, выход которого соединен с вторым входом блока определения координат fl сдвиговых регистров, п основных и один дополнительный коррелятор сумматор. блок весового суммирования. блок возведения в квадрат, вход которого соединен с вторым выходом коммутатора, а его выход — с аналоговым входом дополнительного коррелятора, и блок управленио, коррелятора, вход которого подключен к пятому выходу блока управления выборкой элементов разложения, его первый выход — к управляющим входам корреляторов, а второй и третий выходами соединены с входами вертикального и горизонтального адресных регистров, подключенных поразрядно соответственно к строчным и столбцовым координатным входам всех корреляторов, каждый из которых, за исключением дополнительного коррелятора, аналоговым входом соединен с вторым выходом коммутатора, а первым выходом — с соответствующим входом блока весового суммирования, выход которого подключен к первому входу арифметического блока, у которого второй и третий входы соединены соответственно с выходами дополнительного коррелятора и сумматора, входы которого соединены с первым и вторым выходами соответствующего коррелятора, у каждого из которых бинарные входы соединены с поразрядными выходами одного из сдвиговых регистров, вход которого подключен к выходу блока памяти эталона в соответствующем цифровом разряде.

2. Устройство по и, 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что каждый из коррелятора содержит матрицу из M x N базовых функциональных элементов (БФЭ) первый координатные входы которых, соединенные по строкам, и вторые координатные входы, соединенные по столбцам, образуют N x N координатных входов коррелятора, причем первый аналоговый, второй, третий и четвертый управляющие входы коррелятора, а также его первый и второй выходы образованы параллельным соединением соответствующих входов и выходов всех БФЭ, входящих в коррелятор, четвертые выходы БФЭ первого столбца подключены к пятым входам

БФЭ второго столбца и далее до БФЭ последнего N-го столбца. и N-мультиплексоров, каждый из которых выходом соединен с пятым входом соответствующего БФЭ первого столбца матрицы, при этом N бинарных входов коррелятора образованы первыми входами N мультиплексоров, четвертый выход каждого БФЭ в последнем

N — M-м столбце матрицы подключен к второму входу мультиплексора в той же строке, к третьему входу мультиплексора в предыдущей строке и к четвертому входу мультиплексора в последующей строке, а пятый и шестой входы коррелятора образованы путем параллел!,но!о соединения. соо!ветст-

ЛЕ Н НО !! l!! ЬI !Л 1! ЛГ ТЫ Х и ХОЙЕРFl ВСЕ \ !!ХОДЯЩИХ н хо1 р !я!!Ч р. глл (нг!г!екс!>p, я

22

1814196

3, Устройство по и, 2, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что базовый функциональный элемент коррелятора содержит ячейку приборов с зарядовой связью(ПЗ С); имеющую два боковых и один центральный накопительные электроды, которые являются соответственно первым, вторым и третьим выходами БФЭ, первый управляющий электрод, зарядово связанный с первым выходом БФЭ и с дифузионной входной областью, образующей первый аналоговый вход БФЭ, при этом первый управляющий электрод связан с первым и вторым координатными входами БФЭ через первую схему

И, второй и третий управляющие электроды, перекрывающие промежутки между центральным и двумя боковыми, накопительными электродами ячейки ПЗС, связан с выходами первой и второй схем ИЛИ, входящими вместе с второй и третьей схемами

И в состав ячейки управления, причем первые входы второй и третьей схем И соедине5 ны соответственно с прямым и инверсным выходами триггера, первый вход которого является одновременно вторым управляющим входом БФЭ, а попарно соединенные вторые входы второй и третьей схемы И и

10 первые входы схем ИЛИ образуют соответственно третий и четвертый управляющие входы БФЭ, при этом второй информационный вход триггера является одновременно пятым входом БФЭ, прямой выход триггера

15 является одновременно четвертым выходом

БФЭ, а вторые входы первой и второй схем

ИЛИ соединены с выходами второй и третьей схем И соответственно, 1814196

1814196

1814196

g) ÐÐÆÛÌЮ фрГЛЪ Ч3

У),г лЮм

Р Z g Я 4 l Ф,. :ъ, ;Р « г; 1» г(»l д ° ., °, ь», Р, а ° .. ь, .;,, 4. <. Ь » А. с. У

1814196 . уд лу уюаыхярФо

1814196

77A8/У

Редактор

3 1833 акаэ Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКН CCC

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Составитель В. Мовчан

Техред М,Моргентал Корректор Т. Вашкович

6ВВЮЮ

Hd ЯЯ(ЛУ

RZ

Ж