DE3340133C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungs­ anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Reduzierung von Daten, insbesondere von Daten aus einer Auswerte­ schaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, wie sie beispielsweise in der DE-OS 31 32 168 beschrieben und dargestellt ist.

Die bekannte Schaltungsanordnung dient der Auswertung von Signalen, die beim optischen Detektieren der Lage eines Durchstoßpunktes einer von einem fliegenden Körper beschrie­ benen ballistischen Kurve innerhalb einer durch zwei Kameras vorgegebenen Meßebene anfallen, in deren Bildebenen je eine Zeile von Fotodioden vorgesehen sind, vgl. DE-PS 24 O2 204. Da dort lediglich das erste Auftauchen eines Körpers in der Meßebene zu detektieren, also nur kurzzeitig zu beobachten ist, fällt eine relativ geringe Anzahl von auszuwertenden Daten an, die zudem nicht unbedingt in Echtzeit zu verarbei­ ten sind, so daß die Datenverarbeitung mit Hilfe eines schnellen Rechners relativ einfach ist.

Soll dagegen ein Objekt in einem Meßraum und nicht nur in einer Meßebene über einen vorbestimmten Zeitraum ständig detektiert werden, fallen ungleich mehr Daten pro Zeiteinheit an, die mit Hilfe der bekannten Schaltungsanordnung nicht mehr zu verarbeiten sind.

Bekanntlich werden auch durch Fotodioden-Arrays aufge­ nommene Bilder punktweise in aufeinanderfolgende den je­ weiligen sogenannten Grauwert proportionale elektrische Signale umgeformt, so daß sich beispielsweise bei einem Fotodioden-Array mit 488 × 380 Fotodioden bei etwa 50 Bil­ dern pro Sekunde 10 Millionen Datensignale pro Sekunde ergeben. Aus dieser Vielzahl von Datensignalen sind im Rahmen bestimmter Anwendungsfälle lediglich die Daten her­ auszuheben, die einer gewünschten Information entsprechen. Beispielsweise gilt dies zur Erkennung von einem Beobachter sich nähernden Körpern, wie z. B. Flugkörpern, mit Hilfe ei­ nes optischen Beobachtungssystems der eingangs genannten Art. Um z. B. Objekte mit einem Durchmesser von 0,1 m in einer Entfernung von 2000 m zu erkennen, benötigt ein sol­ ches System eine relativ hohe Auflösung. Bei einer ge­ forderten Kontrastabstufung von wenigen Prozent; die frag­ lichen Flugkörper sind möglicherweise durch Tarnfarben reflexionsarm gehalten, also gegenüber wechselnden Hinter­ grund wenig kontrastreich, über einen relativ großen Dynamikbereich infolge nicht zu vermeidender vollbesonnter heller Flächen, die von starken Schatten, beispielsweise von Waldbäumen unterbrochen sind und ähnliches, sind die anfallenden Video-Daten mit einer Auflösung von mindestens 8 bit entsprechend 255 Grauwerten abzustufen. Zur Entscheidungsfindung sind durch die notwendige schnelle Bildfolge, verbunden mit der hohen Auflösung mehr als 10⁷ Video-Datenworte im 8-bit-Format je Sekunde zu ver­ arbeiten.

Ein weiteres Erschwernis ist darin zu sehen, daß sich die in der genannten Bildinformation eingelagerten Bilddaten eines Flug­ körpers von Bild zu Bild verändern und zusätzlich durch ein beträchtliches Bild- und System-Rauschen überlagert sind, was die Extraktion der gewünschten Datensignale weiter er­ schwert. Schließlich muß die Datenverarbeitung so schnell durchgeführt werden, daß noch genügend Zeit zur Einleitung erfolgversprechender Gegenmaßnahmen verbleibt.

Obwohl die Leistungsfähigkeit moderner Rechner immer mehr zunimmt, steht zur Zeit kein Rechner-System mit ent­ sprechender Software zur Verfügung, um hier die für die Weiterverarbeitung relevanter Daten notwendige Datenreduzie­ rung durchführen zu können. Dies gilt insbesondere für mobile Anlagen, wo Einschränkungen hinsichtlich der räumlichen Aus­ dehnung und dem Gewicht solcher Anlagen unvermeidbar sind.

Auch sind bislang bekannte Korrelationsschaltungen für die­ sen Zweck ungeeignet, da sie entweder zu langsam arbeiten oder nur die Extraktion periodisch auftauchender Signale zu- lassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, mit deren Hilfe die von einer Signalquelle, z. B. einer Bildaufnahmevorrichtung in Form eines Fotodioden-Arrays erzeugten Daten soweit zu reduzieren sind, daß einem Rechner für die durchzuführende Datenauswertung nur relevante Daten zugeführt werden, und durch die aus wenigen Bildfolgen die Bildinformationen ausgesondert werden, die eine stetige Signaländerung auch von wenigen Prozent innerhalb dieser Bildfolgen erfahren.

Diese Aufgabe ist für das Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Für die Schaltungsanordnung ist diese Aufgabe erfindungs­ gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan­ spruches 3 gelöst.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich aus der Vielzahl der anfallenden Video-Daten bei relativ hoher Bildfolge die für die nachfolgende Datenverarbeitung zwecks Entscheidungsfindung allein relevanten Daten extrahieren, so daß ein auf die Bildaufnahmevorrichtung sich zu bewegender Körper in so kurzer Zeit innerhalb eines vorgegebenen Ko­ ordinatensystems zu detektieren ist, daß erfolgreiche Abwehr­ maßnahmen noch rechtzeitig einleitbar sind. Aus wenigen Bild­ folgen werden nämlich nur die Video-Signale extrahiert, die eine stetige Signalzunahme von wenigen Prozent von Bildrahmen zu Bildrahmen aufweisen, so daß eine drastische Reduzierung der Video-Daten auf wenige, das Ereignis ausreichend beschrei­ bende Datenworte möglich ist, die dann in einem relativ kleinen schnellen Rechner weiter zu verarbeiten sind.

Die zur Durchführung des Verfahrens notwendige Schaltungsan­ ordnung umfaßt wenige Bauteile und kann sowohl in Analog-, Digital- als auch in einer gemischten Analog-Digital-Bauweise ausgeführt werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung mehr oder minder schematisch dargestellten Ausführungsbei­ spieles beschrieben.

Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Schaltungs­ anordnung gemäß der Erfindung zur Durch­ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 ein Impulsplan zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die von einer hier weder dargestellten noch beschriebenen, da nicht unmittelbar zur Erfindung gehörenden Bildaufnahme­ Vorrichtung mit ihren Steuer- und Stromversorgungseinheiten erzeugten, beispielsweise über A/D-Wandler in eine serielle Digital-Signal-Folge umgewandelten Bildpunktsignale, im nach­ folgenden als Video-Signale bezeichnet -, werden in eine Addierstufe 10 eingespeist, vgl. Fig. 1, wo sie mit einem verzögerten und um einen Faktor F veränderten Video-Signal verknüpft werden.

Die Veränderung der verzögerten Video-Signale mit dem ein­ stellbaren Faktor F erfolgt in einer Multiplikationsstufe 11, der die über eine Verzögerungsleitung 14 verzögerten Video­ Signale zugeleitet werden.

In einer Dividierstufe 12, die zwischen der Addierstufe 10 und der Verzögerungsleitung 14 liegt, werden die verknüpften Video-Signale durch den Faktor F + 1 dividiert, ehe sie in die Verzögerungsleitung 14 eingespeist werden. Die Verzögerungs­ leitung 14 ist so bemessen, daß jeweils die gesamte Video- Signalfolge eines kompletten Bildrahmens aufnehmbar ist, vgl. auch Fig. 2.

Der Verzögerungsleitung 14 ist eine Subtrahierstufe 16 nachgeschaltet, die einen zweiten Eingang aufweist, über den die augenblicklichen Video-Signale direkt zugeleitet werden. In der Subtrahierstufe werden die verknüpften und verzögerten Video-Signale mit den jeweils aktuellen Video-Signalen ver­ glichen und es werden jeweils Differenzsignale erzeugt, die einer weiteren nachgeschalteten Addierstufe 18 zugeleitet werden. Dort werden die zugeleiteten Differenzsignale auf­ summiert und in eine weitere Verzögerungsleitung 19, die ebenfalls die gesamte Summen-Signalfolge eines Bildrahmens aufnimmt, überführt, deren Ausgang auf den Eingang der Addier­ stufe 18 rückgeführt ist. Am Ausgang 20 werden die gesuchten Video-Signale abgenommen und in einem hier ebenfalls nicht dargestellten schnellen Rechner weiter verarbeitet.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung sei nunmehr anhand der jeweils gleichen Ausschnitte a aus der Zykluszeit A der Videosignalfolgen zeitlich aufeinander folgender Bildrahmen zeigenden Fig. 2, d. h. deren Zeilen 2.1 bis 2.9 erläutern.

Wie eingangs erwähnt, besteht ein Fotodioden-Flächenarray der nicht dargestellten Bildaufnahme-Vorrichtung im vor­ liegenden Ausführungsbeispiel aus einer Anordnung von 488 × 380 Fotodioden. Diese Fotodioden werden über eine hier nicht dar­ gestellte Schaltungsanordnung seriell, d. h. Zeile für Zeile in Bezug auf ihren Spannungszustand ausgelesen. Jede senkrechte Säule innerhalb der Zeilen 2.1, 2.2, 2.3 und 2.7 der Fig. 2 stellt daher jeweils die belichtungsabhängige Spannung - besser Ladung - an einer einzelnen Fotodiode des Fotodioden­ flächenarrays dar.

Die erste Säule der Video-Signalfolge beschreibt in der Darstellung nach Fig. 2.1 daher einen bestimmten Licht­ pegel an der Fotodiode x in der Zeile y eines Bildrahmens zur Zykluszeit A₁. Die nächste Säule zeigt den etwas ge­ ringeren Lichtpegel an der Fotodiode x + 1 der Zeile y des gleichen Bildrahmens usw. bis x + 30 der ausschnittweise dar- gestellten Zeile y.

Die Zeile 2.2 der Fig. 2 zeigt den gleichen Ausschnitt der Video-Signalfolge, also die Lichtpegel der Fotodioden x bis x + 30 der Zelle y zur Zykluszeit A₂, also des auf den Bildrahmen mit der Zykluszeit A₁ folgenden nächsten Bildrahmens, wobei A die Zeitspanne - Zykluszeit - für ei­ nen kompletten Abtastzeitraum für sämtliche Fotodioden des Fotodioden-Flächenarrays, also für einen Bildrahmen darstellt. Demgemäß verkörpern die Zeile 2.1 der Fig. 2 einen Ausschnitt aus der Video-Signalfolge zur Zeitspanne a in der Zykluszeit A₁ eines Bildrahmens, also A₁a; die Zeile 2.2 einen Ausschnitt der Video-Signalfolge zur Zeitspanne a in der Zykluszeit A₂, also A₂a; die Zeile 2.3 die Differenz aus den Ausschnitten der Video-Signalfolgen (A₂a) - (A₁a); die Zeile 2.4 einen Ausschnitt der Video-Signalfolge zur Zeitspanne a in der Zykluszeit A₃, also A₃a; die Zeile 2.5 die Differenz aus den Ausschnitten dieser Video-Signalfolgen, wobei die Signal­ folge A₂a jetzt durch die Bearbeitung mit dem Faktor F bereits verändert erscheint: [A₃a - (A₂a + F · A₁a) : (F + 1)]; die Zeile 2.6 die Summe aus den Ausschnitten der Video-Signal­ folgen {(A₂a - A₁a) + [A₃a - (A₂a + F · A₁a) : (F + 1)]}; die Zeile 2.7 einen Ausschnitt der Video-Signalfolge der Zeitspanne a in der Zykluszeit A₄, also A₄a; die Zeile 2.8 die Differenz aus den Ausschnitten der Video-Signalfolgen {A₄a - A₃a + F · (A₂a + F · A₁a) : (F + 1)] : (F + 1)} und die Zeile 2.9 die Summe aus den Ausschnitten der Video­ Signalfolgen ((A₂a - A₁a) + [A₃a - (A₂a + F · A₁a) : (F + 1)]. + {A₄a - [A₃a + F · (A₂a + F · A₁a) : (F + 1)] : (F + 1)}).

Die Signalfolgen in den Zeilen 2.3, 2.5 und 2.8 entstehen also dadurch, daß für jede einzelne Fotodiode des den Bild­ rahmen darstellenden Fotodiodenarrays die Differenzsignale der Spannungspegel aus dem Abtastzyklus A vom Spannungs­ pegel aus dem jeweils aktuellen Abtastzyklus A₂a bzw. A₃a, A₄a subtrahiert wird.

Die Summensignale in den Zeilen 2.6 und 2.9 werden aus der Addition der jeweiligen Differenzsignale gewonnen. Unter Berücksichtigung der vorstehenden Erläuterung ist in Bezug auf das Blockschaltbild gemäß Fig. 1 sofort er­ kennbar, daß das momentane Video-Signal zu einem, z. B. mittels Software zu bestimmenden Prozentsatz dem verzögerten Video-Signal überlagert wird.

Anschließend wird im Dividierer wieder die Signalhöhe in der ursprünglichen Größenordnung hergestellt. Das ver­ zögerte Video-Signal von quasi-statischen Bildern paßt sich damit erst über einen längeren, durch die Software bestimm­ baren Zeitraum dem momentanen Video-Signal an.

Im Subtrahierer entsteht nun die Differenz aus ver­ zögertem und aktuellem Video-Signal und damit die erste Datenreduzierung. Als Differenz erscheinen nur noch die Abweichungen der Bildinformationen, d. h. die Änderungen, die von sich bewegenden Objekten hervorgerufen werden.

Eine weitere Datenreduzierung erfolgt anschließend in dem nachgeschalteten zweiten Summierer und der zweiten Ver­ zögerungsleitung. Video-Signale schwingender Bewegungen, wie z. B. das Schwanken von Bäumen im Wind, die ebenfalls ein Differenzsignal hervorrufen, werden in diesem Schal­ tungsteil, das die Differenzsignale mehrerer Bildfolgen laufend aufsummiert, durch den ständigen Vorzeichen­ wechsel eliminiert. Diese Aufsummierung unterdrückt eben­ so das vollständige Rauschspektrum, da nur Signale, die von auf den Beobachter sich zu bewegenden Objekten hervor­ gerufen werden, durch die ständige Addition sehr schnell eine z. B. über eine nicht dargestellte Schwellwertschaltung eindeutig detektierbare Signalhöhe erreichen, vgl. Video­ Signal x + 16 in Zeile 2.9 der Fig. 2.

Über nicht dargestellte Schaltungsmittel werden der stationäre Beginn der Datenverarbeitung sowie eine Signallöschung nach erfolgter Detektion der gesuchten Zielinformation herbeigeführt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Reduzierung von Daten einer optoelektronischen Bildaufnahme-Vorrichtung mit Hilfe der Autokorrelation der einzelnen Bildpunktsignale eines jeden Bildrahmens, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz zwischen dem aktuellen Bildpunktsignal eines jeden Bildpunktes eines Bildrahmens und dem jeweils um einen Bildrahmen verzögerten und um einen Faktor F aktualisierten Bildpunktsignal des gleichen Bildpunktes der vorhergehenden Bildrahmen festgestellt und die Differenz fortlaufend auf das ebenfalls um einen Bildrahmen verzögerte jeweilige Summensignal aufsummiert und als eine jeweils aus gleichen Bildpunkten aufeinanderfolgender Bildrahmen gebildete zeitsequentielle Signalfolge ausgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor F in Abhängigkeit der Relativgeschwindigkeit zwischen einem abzubildenden Objekt und der Bildaufnahmevorrichtung gewählt wird.

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 2, insbesondere unter Verwendung einer Auswerteschaltung für die Signale einer Reihe von n im schnellen Rhythmus nacheinander abgetasteten Fotodetektoren, die räumlich begrenzte Veränderungen mindestens eines Objektes innerhalb eines Gesichtsfeldes überwachen, wobei die von den einzelnen Fotodetektoren abgeleiteten Video-Signale jeweils einer Verzögerungs- Einrichtung zugeführt werden, und wobei mittels einer Vergleichseinrichtung die von den gleichen Fotodetektoren im Abstand mindestens eines Abtastzyklus zugeführten Video-Signale verglichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Ausgangssignal erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Video-Signale (X) eines jeden Bildrahmens in einer Addierstufe (10) mit einem verzögerten, mit dem Faktor F multiplizierten Video-Signal verknüpft und die die Addierschaltung verlassenden Summensignale in einer Dividierstufe (12) durch die Größe F + 1 dividiert und insgesamt in der Verzögerungsleitung (14) gespeichert werden, daß die verzögerten Video-Signale vom Ausgang der Verzögerungsleitung (14) rückgeführt und in einer mit der Addierstufe verbundenen Multiplikationsstufe (11) mit dem Faktor F multipliziert werden, daß die verzögerten Video-Signale in einer Subtrahierstufe (16) mit den aktuellen Video-Signalen eines Bildrahmens verglichen werden, und daß die Differenzsignale in einer nachgeschalteten weiteren Addierstufe (18) aufsummiert werden, der eine weitere Verzögerungsleitung (19) zur Aufnahme der summierten Differenzsignale nachgeschaltet ist, deren Ausgang (20) auf die weitere Addierstufe (18) rückgeführt ist und der lediglich die von Bildrahmen zu Bildrahmen eine Pegelzunahme aufweisenden Signale (X + 16) entnehmbar sind.