DE68915989T2

DE68915989T2 - Elektronische fokuskorrektur.

Info

Publication number: DE68915989T2
Application number: DE68915989T
Authority: DE
Inventors: Gerard Rafanelli; Robert Zwirn
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-05-02
Filing date: 1989-03-27
Publication date: 1995-01-05
Anticipated expiration: 2009-03-28
Also published as: EP0377697B1; EP0377697A1; DE68915989D1; WO1989011196A1; IL89844A; ES2013183A6; US4876602A; JPH02504217A; JP2835117B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung:

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektronische Abbildungssysteme. Genauer gesagt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Techniken und Systeme zum Korrigieren von Fokusabweichungen bzw. Brennpunktaberrationen bei elektronischen Abbildungssystemen, die elektrooptisch sein können.
Auch wenn die vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf ein bestimmtes Ausführungsbeispiel für eine bestimmte Anwendung beschrieben wird, versteht es sich, daß die Erfindung nicht hierauf beschränkt ist. Diejenigen, die normale fachmännische Befähigung besitzen und Zugang zu den Lehren dieser Erfindung haben, werden zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele innerhalb von deren Rahmen erkennen.

Beschreibung des Standes der Technik:

Fokusabweichungen bei elektrooptischen Systemen können durch Veränderungen des Bereichs von Objekten in einer Zielszene oder durch Schwankungen der Temperatur der Erfassungselemente begründet sein. Zusätzliche Abweichungen können aus Fehlern in den optischen Einrichtungen des Systems oder Fehlern in der Verarbeitungsschaltung resultieren. Die Fokuskorrektur kann insbesondere dann probleinatisch sein, wenn die Abweichung durch Bereichsveränderungen begründet ist, da die Wirkung der Fokussierung über einen Gegenstandsrahmen nicht gleichmäßig sein kann.
Herkömmliche Techniken zum Korrigieren der Fokussierung enthalten üblicherweise elektromechanische Servosteuersysteme mit offener und geschlossener Schleife (bzw. Regelung und Steuerung), die ein optisches Element, typischerweise eine Linse, als Reaktion auf ein Fehlersignal bewegen. Beispielsweise bewegen passive und aktive thermische Kompensatoren ein optisches Element als eine Funktion der Temperatur. Da diese Systeme unglücklicherweise aber typischerweise Offenschleifensysteme (Steuerungssysteme) sind, ist oftmals ein gewisser restlicher Fehler vorhanden und es ist keine Vorkehrung für eine Bereichskoinpensation bzw. Entfernungskompensation getroffen. Auf der anderen Seite minimieren Autofokussysteme mit geschlossener Schleife, d.h. Regelung, Fokussierungsfehler unabhängig von deren Grund. Bei diesen Systemen wird ein optisches Element als Reaktion auf ein Rückkoppelungs-Fehlersignal bewegt. Da eine einzelne Einstellung für die gesamte Szene eingesetzt wird, ist keine Korrektur für die Auswirkungen von szeneninternen Entfernungsveränderungen vorhanden. Desweiteren verbleibt typischerweise eine restliche Beugungsverschmierung bzw. -unschärfe.
Darüber hinaus erhöhen diese elektromechanischen Servosteuersysteme das Gewicht, die Kosten und die Leistungsbzw. Energieanforderungen von elektrooptischen Systemen und tendieren zur Komplizierung der Gestaltung.
Es besteht daher im Stand der Technik ein Bedürfnis nach einem System oder einer Technik zum elektronischen Korrigieren der Fokussierung von elektrooptischen Systemen hinsichtlich Abweichungen aufgrund von Temperaturschwankungen, Entfernungsveränderungen, Beugung und anderen Effekten. Idealerweise wäre das System nicht invasiv bzw. würde nicht in die vorhandene Gestaltung eingreifen, so daß eine kostengünstige Rückausstattung bzw. nachträgliche Ausstattung von existierenden Systemen ermöglicht wäre.

Kurzfassung der Erfindung

Dem Bedürfnis im Stand der Technik wird durch das elektronische Fokuskorrektursystem gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist, Rechnung getragen. Die Erfindung ist zur Korrektur von Fokussierungsabweichungen bei einem elektrooptischen System ausgelegt, das elektrische Signal bereitstellt, die für eine Szene aus Bilddaten repräsentativ sind. Die Erfindung enthält eine erste Einrichtüng zum Bereitstellen von Sätzen von Gewichtskoeffizienten und eine zweite Einrichtung zum Multiplizieren der elektrischen eingegebenen Signale, die einem Fenster um jedes Bildelement von Bilddaten entsprechen, mit einem Satz von Gewichtskoeffizienten. Die zweite Einrichtung ordnet jedem Ausgangsbildelement einen Wert zu, der gleich der Summe der Produkte der Koeffizienten, multipliziert mit den elektrischen Signalen innerhalb jedes Fensters, ist, um eine Folge von gewichteten Ausgangssignalen bereit zu stellen. Die Ausgangssignale bilden ein korrigiertes Bild. Eine dritte Einrichtung, die auf das Ausgangssignal der zweiten Einrichtung anspricht, ist bereit gestellt, um die Gütezahl (figure of merit) für das korrigierte Bild zu messen. Eine vierte Einrichtung, die auf das Ausgangssignal der dritten Einrichtung anspricht, ist enthalten, um Steuersignale zum Auswählen eines anderen Satzes von Koeffizienten für die Multiplikation und Akkumulierung bzw. Aufsummierung mit den Eingangssignalen bereit zu stellen, um hierdurch ein korrigiertes Bild mit einer optimierten Gütezahl zu schaffen. Bei einem spezielleren Ausführungsbeispiel ist eine Modell-Einstelleinrichtung bzw. -Anpassungseinrichtung zum Verändern der spektralen Leistungsdichte des Modellbilds enthalten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erläuternden Ausführungsbeispiels des elektronischen Fokuskorrektursy sterns gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines erläuternden Ausführungsbeispiel des Fokusdiskriminators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3(a) zeigt die Zeitdiagramme, die zur Veranschaulichung der Erzeugung eines Fensters durch den Fenstergenerator gemäß der vorliegenden Erfindung herangezogen werden.
Fig. 3(b) zeigt eine veranschaulichende Realisierung des Fenstergenerators gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Anzahl von Kurven, die jeweils die spektrale Leistungsdichtefunktion P einer Szene repräsentieren, wobei der Parameter n sich von Szene zu Szene verändert.
Figuren 5(a), (b) und (c) zeigen einen Punkt in einem ideal fokussierten Bild, die entsprechende zweidimensionale, Idealpunkt-Ausbreitungsfunktion bzw. das entsprechende, abgetastete Detektorausgangssignal eines Bilds.
Figuren 6(a), (b) und (c) zeigen einen Punkt in einem reellen Bild mit einer gewissen Defokussierungsabweichung, die entsprechende, eindimensionale Punktausbreitungsfunktion bzw. das entsprechende, abgetastete Detektorausgangssignal des Bilds.
Figuren 7(a) und 7(b) zeigen eine zweidimensionale Punktausbreitungsfunktion eines idealen Bilds bzw. das entsprechende Detektorausgangssignal.
Figuren 8(a) und 8(b) zeigen eine zweidimensionale Punktausbreitungsfunktion eines reellen Bilds mit einer gewissen Defokussierungsverschmierung bzw. -unschärfe bzw. das entsprechende Detektorausgangssignal.
Fig. 9 (a) ist eine eindimensionale Punktausbreitungs funktion B eines Punkts in einem reellen Bild mit einer gewissen Defokussierungsabweichung aufgrund von Unschärfeund Beugungserscheinungen.
Fig. 9(a) ist die eindimensionale Punktausbreitungsfunktion gemäß Fig. 9(a), die invertiert ist, um -B zu repräsentieren.
Fig. 9(c) ist für die Funktion 2-B repräsentativ, die durch die Masken gemäß vorliegender Erfindung bereitgestellt wird.
Fig. 9(d) ist für das korrigierte Videoausgangssignal repräsentativ, das durch die Faltung (convolution) von eingegebenen Videodaten mit einer Maske 2-B erzeugt wird, wie dies durch die vorliegende Erfindung gelehrt wird.
Fig. 10 ist eine zweidimensionale Darstellung einer typischen Maske, die bei der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
Fig. 11 zeigt einen zweidimensionale topologische Darstellung einer typischen Maske.
Fig. 12 zeigt die zweidimensionale, topologisch repräsentierte Maske, die einem Videodatenbild überlagert ist.

Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt ein nicht invasives bzw. keinen Eingriff erforderndes System und eine Technik zum elektronischen Korrigieren von Fokussierungsabweichungen bei elektrooptischen Systemen bereit. Wie nachstehend detaillierter beschrieben wird, werden eingangsseitige Bilddaten in einem Fenster um jedes Bildelement mit einem Satz aus Gewichtskoeffizienten multipliziert, um eine Anzahl von Produkten zu erzeugen. Die Produkte für jedes Fenster werden akkumuliert und die Summe wird dem mittleren Bildelement zugeordnet. In dieser Weise wird das gesamte Bild durch eine Anordnung von gewichteten Sununen ersetzt. Diese Anordnung bildet das korrigierte Videosignal. Ein Fokusdiskriminator (Fokussierungserkennungseinrichtung) mißt die Gütezahl (f igure of merit) für das korrigiert Bild und erzeugt Steuersignale für die Auswahl des nachfolgenden Satzes von Koeffizienten für die Multiplikation mit den eingangsseitigen Daten Der Vorgang wird fortgeführt, um ein optimal fokussiertes Bild zu erhalten.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer erläuternden Realisierung des elektronischen Fokuskorrektursystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung 10 enthält einen Festspeicher (ROM) 12, in dem eine Mehrzahl von Sätzen von Gewichtskoeffizienten gespeichert sind. Jeder Satz von Koeffizienten stellt eine Faltungsmaske (convolution mask) oder einfach eine Maske bereit. Die Art und Weise, in der die Koeffizienten erzeugt werden können, wird nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben. Elektrische Signale, die den eingangsseitigen, defokussierten Bilddaten entsprechen, werden von einem herkömmlichen, nicht gezeigten elektrooptischen System empfangen und in einer mit Anzapfungen bzw. Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung 16 gespeichert. Die Verzögerungsleitung stellt Eingangsdaten um jedes aufeinanderfolgende Bildelement von Datensignalen für die Multiplikation mit den gewichteten Koeffizienten bereit. Die Verzögerungsleitung 16 kann als eine ladungsgekoppelte Einrichtung (CCD), ein Direktzugriffsspeicher (RAM) oder als irgendeine andere geeignete Speichereinrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist, ausgeführt sein. Die Verzögerungsleitung 16 sollte groß genug sein, um ausreichende Daten zu speichern, um einen Bereich bereit zu stellen, der im wesentlichen alle Information für die größte erwartete Punktausbreitungsfunktion für das eingangs seitige Bild enthält.
Eine Umsetz- bzw. Faltungseinrichtung (convolver) 18 stellt eine Einrichtung zum Multiplizieren der eingegebenen Daten mit einem Satz von Gewichtskoeffizienten bereit, die durch den Festspeicher 12 erzeugt werden. (Die Faltungseinrichtung kann digital oder mittels Umwandlungschips (convolver chips) für spezielle Zwecke wie etwa dem TRW TD- C1028, oder mit CCD-Transversalfiltern, die spannungsgesteuerte Abgriffe besitzen, wie etwa dem CRC 141, oder in irgendeiner anderen, im Stand der Technik bekannten Weise realisiert sein.) Die Faltungseinrichtung 18 multipliziert Signale in einem Fenster um jedes Bildelement von eingegebenen Bilddaten mit einem entsprechenden Koeffizienten in dem durch den Festspeicher 12 bereit gestellten Satz. Die resultierenden Produkte werden summiert und als eine gewichtete Summe an der Stelle des Bildelementes gespeichert. Folglich wird eine Folge von gewichteten Summen bereit gestellt, die ein korrigiertes Videobild darstellen. Diese Daten sind das Ausgangssignal des Systems und werden zu einer Steuerung 20 zurückgeführt.
Die Steuerung 20 mißt die Gütezahl des korrigierten Videobilds und erzeugt Steuersignale für die Auswahl von anderen Sätzen von Koeffizienten für die Multiplikation mit den eingangsseitigen Daten, um die Fokussierung des abgegebenen Videos bzw. Videobilds zu optimieren. Fig. 2 zeigt eine veranschaulichende Realisierung der Steuerung 20. Sie enthält einen Fokusdiskriminator, eine Koeffizientensteuerlogik, eine Szenen-Modell-Einstellogik bzw. -Anpassungslogik, einen Fenstertorgenerator und eine Zeitsteuerung- und Steuerlogik. Der Fokusdiskriminator enthält einen Signalkanal 24 und einen Referenzkanal 26, die mit einem Eingangsanschluß 28 verbunden sind, über den ein korrigiertes oder gefaltetes bzw. umgesetztes Videosignal (Video) an die Steuerung 20 angelegt wird. Die Fokussierungserkennung wird durch bedingtes Integrieren des Videosignals durchgeführt, das gefiltert wurde, um die hochfrequenten Komponenten einer Szene bezüglich der niederfrequenten Komponenten zu betonen. Die niederfrequenten Komponenten werden in dem Referenzkanal 26 gemessen und zur Modifizierung der hochfrequenten Komponenten in dem Signalkanal 24 herangezogen.
Der Signalkanal 24 enthält einen Verstärker 30 mit variabler Verstärkung, ein Hochpaßfilter 32, einen elektronischen Schalter 38 und einen bedingten Integrator 40. Eine Modifizierung des Videos bzw. Videosignals wird in einem Bandpaß-Verstärker bewirkt, der durch den Verstärker 30 mit variabler Verstärkung und das Hochpaßfilter 32 gebildet ist. Die Verstärkung des variablen Verstärkers 30 entzerrt bzw. vergleichmäßigt das Ausgangssignal des bedingten Integrators des Signalkanals 24 mit demjenigen des Referenzkanals 26. Die Verstärkung des Verstärkers 30 beeinflußt auch die spektrale Leistungsdichte des korrigierten Videobilds, indem die spektrale Leistungsdichte des Referenzszenemodells einjustiert wird, wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben wird. Das Hochpaßfilter 32 enthält einen Kondensator 34 und einen Widerstand 36. Das Hochpaßfilter 32 ist ein Hochpaßfilter mit einem einzigen Pol, das die Eigenheit besitzt, daß die Dämpfung umgekehrt proportional zur Frequenz ist. In der Auswirkung ist es ein Gewichtsfaktor, der höhere Relativfrequenzen gegenüber niedrigeren Frequenzen bevorzugt, wobei aber keine beseitigt wird. Dies steht im Gegensatz zu den Ansätzen mit Filtern hoher Güte Q, die Szeneninformation in bestimmten Frequenzbereichen erfordern. Die Zeitkonstante des Filters 32 ist so gewählt, daß sie gerade unterhalb derjenigen Frequenz los läuft bzw. liegt (roll-on), auf die das Video bzw. Videosignal durch die Auswirkungen der schlimmsten Verschiebung bzw. Unschärfe begrenzt würde.
Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 32 wird durch einen elektronischen Schalter 38 vorgesteuert an den bedingten Integrator 40 angelegt. Der Schalter 38 arbeitet unter Steuerung durch einen Fenster-Torgenerator 42, der seinerseits durch eine Zeitsteuerunngs- und Steuerschaltung 44 gesteuert wird. Der Fenster-Torgenerator 42 bewirkt hierbei eine selektive, torgesteuerte Zuführung des gefilterten Videosignals zu dem bedingten Integrator 40. Der Fenster-Torgenerator 42 und die Zeitsteuerung- und Steuerschaltung 44 erzeugen ein Fenster, innerhalb dessen eine Gütezahl gemessen wird.
Wie in den Figuren 3(a) und 3(b) für jedes eingegebene Bild gezeigt ist, benutzt der Fenstergenerator 42 einen Horizontalsynchronisationsimpuls 420, einen Startimpuls 422, und einen Stopimpuls 424, um einen horizontalen Fensterimpuls 426 zu erzeugen- Dies bedeutet, daß der horizontale Fensterimpuls 426 die Vereinigung der Start- und Stopimpulse 422 bzw. 424 ist. In gleicher Weise wird der vertikale Fensterimpuls 434 durch die Vereinigung des vertikalen Startimpulses 430 und des vertikalen Stopimpulses 432 erzeugt. Somit wird innerhalb eines Datenfelds 421) das durch die horizontalen und vertikalen Synchronisationsimpulse 420 bzw. 428 gebildet ist, ein Fenster 432 erzeugt. Die Vorderflanke des vertikalen Fensterimpulses 434 definiert eine oberseitige Fensterlinie T, während die nachlaufende Flanke eine unterseitige Fensterlinie T + delta V definiert, wobei delta V die Dauer des vertikalen Fensterimpulses 434 ist. Das Fenster 423 ist durch das äußerste linke Fensterbildelement L an der Vorderflanke des horizontalen Fensterimpulses 426 und durch das äußerste rechte Fensterbildelement L + delta H an der nachlaufenden Flanke des horizontalen Impulses 426 definiert. Delta H ist die Dauer des horizontalen Impulses 426.
Eine veranschaulichende Realisierung des Fenstergenerators 42 ist in Fig. 3(b) gezeigt. Der Fenstergenerator 42 enthält vier bis N zählende Zähler 43, 45, 47 und 49, die bis zu einem vorab eingestellten Wert zählen, der bei den N Eingängen für diese bereit gestellt wird. Die Zähler 43 und 45 erzeugen die vorlaufenden bzw. die nachlaufenden Flanken des horizontalen Fensterirnpulses 426 und die Zähler 47 und 49 erzeugen die vorlaufenden und nachlaufenden Flanken des vertikalen Fensterimpulses 434 und jeder Zähler wird durch einen Synchronisationsimpuls zurückgesetzt und gestartet. Die Zähler zählen bis zu einem Wert N hoch, der die Adresse für das Bildelement L für den ersten Zähler 43, das Bildelement L + delta H für den zweiten Zähler 45, die Linie T für den dritten Zähler 45 und die Linie L + delta V für den vierten Zähler 49 ist. Der erste und der zweite Zähler 43 und 45 zählen Impulse von dem Bildelementtakt, während der dritte und vierte Zähler 45 und 49 Impulse von dem Leitungs- bzw. Linientakt zählen. Somit zählt der erste Zähler 43 dann, wenn der horizontale Synchronisationsimpuls empfangen wird, Bildelement- Taktimpulse, bis der Zählstand gleich dem Wert der äußersten linken Adresse ist, die durch die Eingabe N mittels der Leitung L bereit gestellt wird. Der normalerweise auf niedrigem Pegel liegende Ausgang Q wechselt auf hohen Pegel, wodurch die Vorderflanke 425 des horizontalen Fensterimpulses 426 erzeugt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der normalerweise auf hohem Pegel liegende Ausgang Q' des zweiten Zählers 42 gleichfalls auf hohem Pegel. Wenn derselbe Satz von Bedingungen bei dein dritten und vierten Zähler 47 und 49 existiert bzw. erfüllt ist, wechselt das Ausgangssignal des UND-Glieds 51 auf hohen Pegel, bis der zweite oder vierte Zähler 45 oder 49 den abschließenden Zählstand von L + delta H oder T + delta V erreicht. Wenn dies auftritt, wechselt der Ausgang Q auf hohen Pegel oder der Ausgang Q geht auf niedrigen Pegel über. Bis dieses auftritt, sind die horizontalen und vertikalen Impulse 426, 15 und 434 kontinuierlich vorhanden, das Ausgangssignal des UND-Glieds 51 besitzt hohen Pegel und der Fensterimpuls wird an die Schalter 38 und 76 angelegt.
Die Eingangssignale für den Fenstergenerator 42 werden durch die Zeitsteuerungs- und Steuerschaltung 44 bereitgestellt. Die Zeitsteuerungs- und Steuerschaltung 44 kann vielfältige Realisierungen haben, wie im Stand der Technik bekannt ist. Jede Realisierung muß die Leitungs- bzw. Linien- und Bildelement-Takte für die Zähler des Fenster-Torgenerators 42 erzeugen.
Der bedingte Integrator 40 kann in digitaler Weise realisiert sein, wie im Stand der Technik bekannt ist. In Fig. 2 ist eine analoge Realisierung zum Zwecke der Veranschaulichung gezeigt. Der bedingte Integrator 40 enthält einen ersten Pfad 46, einen zweiten Pfad 48 und einen Differenzverstärker 50. Der erste Pfad 46 enthält eine Diode 51, einen Widerstand 52 und einen Kondensator 54. Der zweite Pfad 48 enthält eine zweite Diode 58, die so verschaltet ist, daß sie einen Stromf luß in einer Richtung erlaubt, die entgegengesetzt zu derjenigen der ersten Diode 51 ist. Ein Widerstand 60 und ein Kondensator 62 vervollständigen den zweiten Kondensator 54 und der zweite Kondensator 62 wird durch die Zeitsteuerungs- und Steuerschaltung 44 (über nicht gezeigte Verbindungen) zurückgesetzt, um-eine Rücksetzung des bedingten Integrators 40 bereitzustellen, wie es im Stand der Technik bekannt ist.
In jedem Pfad stellen die Diode und der Kondensator zusammenwirkend die Vorteile eines Spitzendetektors bereit. Der Widerstand schafft gemeinschaftlich mit dein Kondensator die Vorteile bzw. Wirkungen eines Integrators/Tiefpaßfilters, das die Wirkung von Störungen bei der Leistungsmessung vermindert. (Es sei angemerkt, daß die vorliegende Erfindung tatsächlich eine Gütezahl in dem Signalpfad gewinnt und diese mit der Zahl in dem Vergleichspfad vergleicht. Die spektrale Leistung und die Gütezahl werden tatsächlich nicht per se "gemessen". Daher ist das Ausgangssignal kein Signal, das diese Messungen repräsentiert. Es ist eine abgeleitete Funktion des Signals.) Beispielsweise sei angenommen, daß ein positiver Strom in dem oberen Pfad 46 fließt, der die Diode 51 einschaltet. Solange das Signal die in dem Kondensator gespeicherte Spannung amplitudenmäßig überschreitet, vergrößert sich das Ausgangssignal des Integrators (der durch den Widerstand 52 und den Kondensator 54 geschaffen ist) und es vergrößert sich das Ausgangssignal des bedingten Integrators 40. Wenn das Signal sich in seiner Amplitude ausreichend verkleinert, schaltet die gespeicherte Kondensatorspannung die Dioden 51 ab und der Pfad wird geöffnet. Da sich der Stromfluß in der negativen Richtung über den zweiten Pfad 48 vergrößert, erhöht sich das Ausgangssignals des Verstärkers 50 aufgrund der Verbindung mit dem negativen Anschluß des Differenzverstärkers 50 erneut. Das Ausgangssignal des bedingten Integrators folgt dem Ausgangssignal des zweiten Integrators, der durch den Widerstand 60 und den Kondensator 62 gebildet ist, solange nach, bis eine Spitze erreicht wird. (Die Widerstände 52 und 60 und die Kondensatoren 54 und 62 sind so gewählt, daß die RC-Zeitkonstante des ersten und des zweiten Integrators in der Größenordnung des räumlich kleinsten Objekts, das in einer Szene erwartet wird, liegt.) Folglich werden beide Übergänge eines elngegebenen analogen Signals integriert, um ein Maß für die hochfrequenten Komponenten eines Rahmens bzw. Bilds von eingegebenen Daten, d.h. der eingegebenen Szene bereitzustellen.
Der Referenzkanal 26 ist im wesentlichen mit dem Signalkanal 24 identisch. Er unterscheidet sich dahingehend, daß der Verstärker 30 mit variabler Verstärkung durch ein Tiefpaßf ilter 64 ersetzt ist, das aus einem Widerstand 66 und einem Kondensator 68 besteht. Das Tiefpaßfilter 64 bildet zusammen mit dem Hochpaßfilter 70 ein Bandpaßfilter, das die hochfrequenten Komponenten der eingegebenen Daten sperrt. Dieses Bandpaßfilter steuert den bedingten Integra tor 80 des Referenzkanals 26 an. Es ist dann offensichtlich, daß der Referenzkanal 26, da er anderweitig identisch mit dem Signalkanal 24 ist, in derselben Weise arbeitet, um ein Maß für die niederfrequenten Komponenten der Szene bereitzustellen. Dies bedeutet, daß der Referenzkanal 26 durch den Schalter 76 derart torgesteuert wird, daß er die Daten in demselben Fenster wie der Signalkanal 24 betrachtet bzw. verarbeitet. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält der bedingte Integrator 80 des Referenzkanals 26 einen ersten Pfad 82 und einen zweiten Pfad 84. Der erste Pfad weist eine Diode 86, einen Widerstand 88 und einen Kondensator 90 auf, die in der in Fig. 2 gezeigten Weise verschaltet sind. Der zweite Pfad 84 enthält eine Diode 92, einen Widerstand 94 und einen Kondensator 96. Der erste und der zweite Pfad 82 und 84 enden an den Eingangsanschlüssen eines zweiten Differenzverstärkers 100. Die Integratoren des ersten und des zweiten Pfads werden in derselben Weise wie die Integratoren des bedingten Integrators 40 des Signalkanals zurückgesetzt.
Die hochfrequenten Komponenten stellen ein Maß für die Qualität der Fokussierung des Ausgangsbilds dar. Folglich gibt der erste Differenzverstärker 50 ein Eingangssignal an einen dritten Differenzverstärker 102 ab, das die höherfrequenten Komponenten einer Szene repräsentiert, und der zweite Differenzverstärker 100 gibt ein zweites Ausgangssi gnal an den dritten Differenzverstärker 102 ab, das die niederfrequenten Komponenten einer Szene repräsentiert. Der dritte Differenzverstärker 102 bewirkt die Funktion des Vergleichs der Darstellung der höherfrequenten Komponenten in einer Szene mit den niederfrequenteren (Referenz-) Kornponenten der Szene. Das bedeutet, daß sein Ausgangssignal den gewichteten Unterschied zwischen den Repräsentationen der Stärke der beiden Frequenzkomponenten darstellt. Eine Abtast- und Halteschaltung 104 gibt aufeinanderfolgende Abtastwerte dieses Ausgangssignals an einen Differenzierer 106 unter der Steuerung durch die Zeitsteuerungs- und Steuerschaltung 44 ab. Der Differenzierer 106 erzeugt eine Anzeige dahingehend, ob die gewichtete Leistung der höherfrequenten Komponenten relativ zu derjenigen der niederfrequenteren Komponenten zunimmt oder abnimmt. Dies bedeutet, daß er eine Anzeige der Fokussierung des Systems sowie bezüglich deren Art der Verbesserung oder Verschlechterung bereitstellt. Diese Daten werden durch die Koeffizientensteuerlogik 108 benutzt, um einen anderen Satz von Koeffizienten aus dem Festspeicher 12 auszuwählen.
Wie nachstehend noch näher erläutert wird, ist jeder Satz von Koeffizienten für die Korrektur einer bestimmten, bekannten, durch Fokussierungsschwankungen begründeten Verschmierung bzw. Unschärfe zuzüglich Beugung ausgelegt.
Diese Koeffizienten sind in dem Festspeicher 12 in einer im Stand der Technik bekannten Weise gespeichert. Die Koeffizientensteuerlogik 108 gibt Adressen an den Bus 110 ab, um benachbarte Sätze von Koeffizienten für die Faltungseinrichtung 18 auszuwählen. Die Koeffizientensteuerlogik 108 besitzt einen Adreßzeiger, der schrittweise nach oben oder unten geht und die Richtung jedesmal dann umkehrt, wenn das Ausgangssignal des Differenzierers ins Negative läuft. Die Steuerung 20 enthält eine Szenen-Modell-Einstellogik bzw. Anpassungslogik 112, die das Ausgangssignal des Differenzverstärkers bei der Abtast- und Halteschaltung 104 überprüft. Sie versucht effektiv die von Spitze zu Spitze auftretenden Auswanderungen des Ausgangssignals des Differenzverstärkers 102 zu minimieren. Durch Einstellung bzw. Justierung der Verstärkung des Verstärkers 30 steuert die Szenen-Modell-Anpassungslogik in der Wirkung die Modell- Leistungsverteilungsfunktion, die nachstehend erläutert wird.
Auch wenn die in dem Festspeicher 12 gespeicherten Gewichtskoeffizienten durch Berechnung in der besten Weise erzeugt werden können, werden diese Koeffizienten experimentell gewonnen. Beispielsweise wird das nicht gezeigte optische System auf ein bekanntes Objekt (d.h. eine Punktquelle) mit einer gegebenen Größe der Bildunschärfe gerichtet. Die Unschärfe ist die System-Punktausbreitungsfunktion, die zum Aufbau der Maskenkoeffizienten eingesetzt wird, die gespeichert werden. Als nächstes wird die Größe der Unschärfe vergrößert oder verringert und es wird ein weiterer Satz von Koeffiziehten gespeichert. Dieser Vorgang dauert an, bis ein Satz von Koeffizienten für jeden Unschärfezustand bzw. jede Unschärfebedingung erzeugt ist. Es sei angemerkt, daß dies als die beste Art und Weise angesehen wird, da die Wirkungen der Beugungsunschärfe auf der Grundlage von empirischen Daten eingeschlossen werden. Es wird davon ausgegangen, daß dies genauer ist als Werte, die aus idealisierten Berechnungen von Beugungsunschärfeeffekten resultieren.
Ob die Unschärfedaten nun experimentell oder durch Berechnung erzeugt werden, werden die Gewichtskoeffizienten auf der Grundlage der Unschärfedaten berechnet, um ein ausgangsseitiges Bild als Ergebnis der Umsetzung bzw. Faltung mit den eingegebenen Daten zu erzeugen, das eine spektrale Leistungsdichte besitzt, die ausreichend nahe bei einer idealen oder gewählten funktionsmäßigen Beziehung liegt.
Fig. 4 zeigt eine Anzahl von Kurven, die die spektrale Leistungsdichtefunktion P einer Szene für verschiedene Werte eines Parameters n darstellen. Die Funktion gehorcht der nachstehenden Gleichung 1:
P = 1/fn [1]
wobei P die spektrale Leistungsdichtefunktion ist, f die Frequenz bezeichnet und n die Steigung steuert. Die spektrale Leistungsdichtefunktion ist eine gerade Linie, da in Fig. 4 der Logarithmus der Leistung gegenüber dem Logarithmus der Frequenz aufgetragen ist. Auch wenn davon ausgegangen wird, daß die Koeffizienten zur Realisierung einer beliebigen spektralen Leistungsdichtefunktion gewählt werden können, wird angenommen, daß eine derartige Funktion gewählt werden kann, die die Leistungsverteilung eines ideal fokussierten Bilds der aktuellen Szene repräsentiert.
Als nächstes müssen die Koeffizienten erzeugt werden, um die gewünschte spektrale Leistungsdichtefunktion zu erzielen. Bei der vorliegenden- Erfindung werden die Koeffizienten erzeugt und gespeichert, um eine Maske zu schaffen, die eine räumliche Intensitätsverteilungsfunktion der Form (2 - B) besitzt, wobei B die räumliche Intensitätsverteilung von Unschärfedaten für das System entsprechend einer gegebenen Größe der Unschärfe ist. Eine separate Maske wird für jede Größe der Unschärfe gespeichert. Wie vorstehend erwähnt, werden aufeinanderfolgende Masken automatisch in der Nähe der Masken, die eine optimale Gütezahl bereitstellen, getestet, um die Tätsache des Optimums zu bekräftigen. Hypothetische Masken (Sätze von Gewichtskoeffizienten) werden gespeichert, um Auswanderungen über eine optimale Maske hinaus Rechnung zu tragen, die andernfalls die letzte Maske wäre, so daß die Tatsache, daß sie die optimale Maske ist, bekräftigt werden kann. Folglich sucht das System konstant die optimale Lösung. Es sei angemerkt, daß diese Versuche um die optimale Fokussierung mit alternativen Sätzen von Koeffizienten einen mit dem nackten Auge nicht wahrnehmbaren Effekt auf das Bild haben würden.
Die Figuren 5(a), (b) und (c) zeigen einen Punkt in einem ideal fokussierten Bild, die entsprechende, eindimensionale, ideale Punktausbreitungsfunktion bzw. das entsprechende abgetastete Ausgangssignal eines Bilddetektors. Die Figuren 6(a), (b) und (c) zeigen einen Punkt in einem reellen Bild mit einer gewissen Defokussierungsabweichung aufgrund einer Unschärfe, die entsprechende, eindimensionale Punktausbreitungsfunktion bzw. das entsprechende abgetastete Ausgangssignal des Bilddetektors. Die Wirkung der Defokussierungsunschärfe steht in der Verschmierung der Punktausbreitungsfunktion und des Aiisgangssignals des Detektors. Die vorliegende Erfindung führt die Energie auf die Mitte der räumlichen Intensitätsverteilungsfunktion zurück und nähert hierdurch ein gut fokussiertes Bild an. Die Figuren 7(a) und 7(b) zeigen eine zweidimensionale Punkt ausbreitungsfunktion oder eine räumliche Intensitätsverteilung eines idealen Bilds bzw. das entsprechende Ausgangssignal des Detektors. Die Figuren 8(a) und 8(b) zeigen eine zweidimensionale Punktausbreitungsfunktion eines reellen Bilds mit einer gewissen Defokussierungsunschärfe bzw. das entsprechende Ausgangssignal des Detektors.
Die Betriebsweise der vorliegenden Erfindung kann nun unter Bezugnahme auf die eindimensionale räumliche Intensitätsverteilung gemäß Fig. 6(b), die in Fig. 9(a) dupliziert ist, erläutert werden. Die vorliegende Erfindung arbeitet unter der Annahme, daß die defokussierte räumliche Intensitätsverteilung die Unschärfeauswirkungen auf das Bild repräsentiert, und weist ihr die Variable B zu. Somit ist die Funktion (-B) in Fig. 9(b) repräsentiert. Die Koeffizienten werden gewichtet, um -B zu erzeugen, sowie derart, daß die Summe der Gewichte -1 ist. Zusätzlich werden die Koeffizienten gewichtet, um einen zentralen Impuls von 2 zu der Funktion -B hinzuzuaddieren, so daß eine Maske geschaffen wird, die gleichartig derjenigen gemäß Fig. 9(c) ist. Wenn diese Maske mit den eingegebenen Daten (Fig. 9(a)) in der Faltungseinrichtung 18 gefaltet wird, werden die Auswirkungen der Unschärfe wirksam unterdrückt und es werden Ausgangsdaten bereitgestellt, die die räumliche Intensitätsverteilungsfunktion annähern, die in Fig. 9(d) gezeigt ist. Dies bedeutet, daß die Unschärfen, eingegebenen Daten und die Maske 2 - B den größten Teil der Unschärfe entfalten bzw. herausnehmen, wodurch sich die Verteilung gemäß Fig. 9(d) ergibt.
Eine dreidimensionale Darstellung einer typischen Maske ist in Fig. 10 gezeigt. Eine zweidimensionale topologische Darstellung einer Maske 200 ist in Fig. 11 dargestellt. Fig. 12 zeigt, wie die Maske 200 einem Bild aus Bilddaten 210 durch die Faltungseinrichtung 18 überlagert wird, um eine Mehrzahl von Produkten aus der Maske, multipliziert mit den abgetasteten Bildwerten, zu erzeugen. Die gesamte Maske 200 ist mittig mit jedem Bildelement ij des Bilds ausgerichtet. Ein Produkt wird für jeden Bilddatenabtastwert und dessen überlagerteh Koeffizienten in dem Satz oder der Maske erzeugt. Alle Produkte innerhalb des Fensters (das mit der Maske übereinstimmt) werden dann in der Faltungseinrichtung 18 aufsummiert und dem mittleren Bildelement z. B. bei 0,0 zugeordnet. Danach bewegt sich das Fenster zu dem Bildelement 0,1, wendet die Umwandlungs- bzw. Faltungsmaske an und ordnet die resultierende Summe der Produktwerte dem Bildelement 0,1 zu. Schließlich wird die Maske auf das letzte Bildelement in dem Bild, d.h. das Bildelement z,z angewendet. Dies ist in Phantomlinien in Fig. 12 dargestellt. In dieser Weise wird ein vollständiges ausgegebenes Vollbild erzeugt, bei dem jedes Bildelement aus einer Anordnung von Summen von Produkten zusammengesetzt ist. Die Gütezahl wird dann gemessen, wie vorstehend erläutert wurde.
Der Vorgang wird wiederholt, mit der Ausnahme, daß ein benachbarter, alternativer Satz von Koeffizienteh, d.h. die Maske, die der nächsten Größe der Unschärfe entspricht, ausgewählt und auf das nachfolgende Feld von Daten angewendet wird. Ein gewisses Ausmaß des Nachlaufens bzw. der Verfolgung ist üblicherweise erforderlich, bevor die beste Maske versucht wird. Somit fährt die Steuerung 20 damit fort, auf unterschiedlich Adressen in dem Festspeicher 18 für jedes Videofeld zu zeigen, bis das Ausgangssignal des Differenzierers ins Negative geht. Der Zeiger kehrt dann die Richtung um, bis das Ausgangssignal erneut ins Negative läuft, wobei er zu diesem Zeitpunkt sich erneut umkehrt, und so weiter. Der Zeiger fährt damit fort, Auswanderungen von der optimalen Fokussierung in beide Richtungen zu machen, bis sich das Bild aufgrund einer zusätzlichen Defokussierung, aufgrund von Änderungen im Szeneninhalt oder aufgrund von beträchtlichen Änderungen der Entfernung verändert.
Die vorstehend erläuterte Anordnung aus akkumulierten Summen ist das korrigierte ,Videobild und ist das Ausgangssignal des Systems. Dieses tritt an dem Ausgang der Faltungseinrichtung 18 auf. Das System 10 stellt somit ein Filter bereit, für das der Ausdruck "Zwirn-Filter" geprägt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde somit unter Bezugnahme auf ein erläuterndes Ausführungsbeispiel für einen speziellen Einsatz beschrieben. Der Fachmann wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele innerhalb des Rahmens der Erfindung erkennen. Beispielsweise ist das System nicht auf eine analoge Realisierung beschränkt. Weiterhin ist die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Einrichtung zum Speichern von Daten, Falten bzw. Umsetzen von Daten oder auf die Bereitstellung einer Messung der Gütezahl des korrigierten Bilds oder auf eine bestimmte Art von Abbildungssystemen beschränkt. Die Erfindung ist in gleicher Weise nicht auf irgendeine spektrale Modell-Leistungsverteilungsfunktion oder auf die Gewichtung der Masken zur Bildung derselben beschränkt. Schließlich ist die Erfindung nicht auf die Einrichtungen beschränkt, durch die die Masken erzeugt werden.
Die beigefügten Ansprüche sollen alle beliebigen derartigen Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele abdecken.

Claims

1. Elektronisches Fokuskorrektursystem zum Korrigieren von Fokusaberrationen in einem elektrooptischen System mit einer Einrichtung zum Bereitstellen von elektrischen Signalen, die für eine Bilddatenszene repräsentativ sind, wobei das elektronische Fokuskorrektursystem aufweist:

eine erste Einrichtung (12) zum Bereitstellen mehrerer Sätze von Gewichtskoeffizienten;

eine zweite Einrichtung (18) zum Multiplizieren der elektrischen Signale, die einem Fenster um jedes Bildelement von Bilddaten entsprechen, mit einem Satz der Gewichtskoeffizienten und zum Zuordnen eines gewichteten Signals, das gleich der Summe der Produkte der Koeffizienten, multipliziert mit den elektrischen Signalen innerhalb des Fensters, ist, zu jedem Bildelement, um eines aus einer Mehrzahl von sequentiellen gewichteten Ausgangssignalen bereitzustellen, die ein korrigiertes Bild darstellen;

eine auf das Ausgarngssignal der zweiten Einrichtung ansprechende dritte Einrichtung (20) zum Messen der Qualität des Fokus bzw. der Fokussierung des ausgegebenen Bilds auf der Grundlage der Ausgangssignale der zweiten Einrichtung; und

eine mit der dritten Einrichtung (20) betriebsmäßig verbundene vierte Einrichtung (108) zum selektiven Bereitstellen von SteuersignaIen für den Wechsel der Mehrzahl von Gewichtskoeffizienten als Reaktion auf die gemessene Qualität der Fokussierung, um hierdurch die Qualität der Fokussierung zu optimieren.

2. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 1, bei dem die erste Einrichtung (12) eine erste Speichereinrichtung (12) zum Speichern der Gewichtskoeffizienten enthält.

3. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Einrichtung (18) zum Multiplizieren der elektrischen Signale, die einem Fenster (423) um jedes Bildelement von Bilddaten entsprechen, mit einer Mehrzahl von Gewichtskoeffizienten eine zweite Speichereinrichtung zum Speichern der elektrischen Signale zum Bilden des Fensters (423) enthält.

4. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die zweite Einrichtung (18) zum Multiplizieren der elektrischen Signale, die einem Fenster (423) um jedes Bildelement von Bilddaten entsprechen, mit einer Mehrzahl von Gewichtskoeffizienten eine Einrichtung (18) zum Falten der gespeicherten elektrischen Signale mit den Gewichtskoeffizienten aufweist.

5. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Einrichtung (20) eine Modell-Einstelleinrichtung bzw. -Anpaßeinrichtung (112) enthält, die auf die gemessene Qualität von deren Fokussierung anspricht, um die spektrale Leistungsdichte des korrigierten Bilds zu ändern.

6. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die dritte Einrichtung (20) einen betriebsmäßig mit deren Ausgang verbundenen Fokusdiskriminator (24, 26, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 110) zum Messen der Qualität der Fokussierung des ausgegebenen Bilds aufweist.

7. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 6, bei dem der Fokusdiskriminator (24, 26, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 110) erste und zweite Kanäle (24, 26) enthält, die mit dessen Eingang (28) verbunden sind, wobei der erste Kanal (24) ein erstes Filter (32), das mit dem Eingang (28) verbunden ist und ein erstes Durchlaßband besitzt, und einen ersten bedingten Integrator (40) aufweist, der mit dem ersten Filter (32) verbunden ist.

8. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 7, bei dem der zweite Kanal (26) des Fokusdiskriminators ein zweites Filter (70), das mit dem Eingang (28) verbunden ist und ein zweites Durchlaßband besitzt, und einen zweiten bedingten Integrator (80) enthält, der mit dem zweiten Filter (70) verbunden ist.

9. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 8, bei dem der erste und der zweite bedingte Integrator (49, 80) eine Spitzen- bzw. Spitzenwertlogik (51, 54, 86, 90) als Teil der bedingten Integratoren enthalten.

10. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 9, bei dem der erste und der zweite bedingte Integrator (49, 80) einen Integrator (52, 54, 88, 90) aufweisen, der betriebsmäßig mit der Spitzenwertlogik verbunden ist.

11. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem der Fokusdiskriminator (24, 26, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 102) einen Differenzverstärker (102) zum Erzeugen eines Fehlersignals als Reaktion auf die Ausgangssignale des ersten und zweiten bedingten Integrators (40, 80) aufweist.

12. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 11, bei dem der Fokusdiskriminator (24, 26, 32, 40, 50, 70, 80, 100, 102) weiterhin eine Einrichtung (104, 106) zum Differen zieren des Ausgangssignals des Differenzverstärkers (102) aufweist.

13. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 12, bei dem die Einrichtung (104, 106) zum Differenzieren des Ausgangssignals des Differenzverstärkers (102) eine Abtastund Halteschaltung (104) aufweist, die zwischen den Differenzverstärker (102) und einen Differenzierer (106) geschaltet ist.

14. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 13, bei dem die dritte Einrichtung (20) eine Modell-Einstelleinrichtung bzw. -Anpassungseinrichtung (112) aufweist, die auf die gemessene Qualität von deren Fokussierung unter Veränderung der spektralen Leistungsdichte des korrigierten Bilds als Reaktion auf das Ausgangssignal der Abtast- und Halteschaltung (104) anspricht.

15. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach Anspruch 13, bei dem die Modell-Einstelleinrichtung bzw. -Anpassungseinrichtung (112) einen Verstärker (30) mit variabler Verstärkung, der in einen der beiden Kanäle (24, 26) geschaltet ist, und eine Einrichtung zum Justieren der Verstärkung des Verstärkers als Reaktion auf die von Spitze zu Spitze auftretenden Auswanderungen der gemessenen Qualität der Fokussierung aufweist.

16. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem das erste Filter (32) ein Bandpaßfilter ist.

17. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem das zweite Filter (70) ein Bandpaßfilter ist.

18. Elektronisches Fokuskorrektursystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die vierte Einrichtung (108) eine Koeffizientensteuerlogik (108) zum Erzeugen der Steuersignale als Reaktion auf die gemessene Qualität der Fokussierung des korrigierten Bilds enthält.

19. Verfahren zum Korrigieren von Abweichungen bzw. Aberrationen in der Fokussierung eines Bilds, das durch ein elektrooptisches System erzeugt wird, das die Schritte enthält:

a) Bereitstellen einer Mehrzahl von Sätzen von Gewichtskoeffizienten;

b) Multiplizieren einer Mehrzahl von Videoabtastsignalen, die für ein Fenster (423) um ein Bildelement in der Mitte des Fensters repräsentativ sind, mit einem Satz der Gewichtskoeffizienten, um hierdurch eine Mehrzahl von Produkten zu erzeugen;

c) Akkumulieren der Produkte und Zuordnen von deren Summe zu dem mittleren Bildelement;

d) kontinuierliches Auswählen von aufeinanderfolgenden mittleren Bildelementen und Durchführen der Schritte b) und c), bis eine Anordnung aus akkumulierten Summen erzeugt ist, die für ein gesamtes Feld von Videoinformationen repräsentativ ist;

e) Messen einer Qualität der Fokussierung des Bilds, die einem ausgewählten Satz von Gewichtskoeffizienten entspricht;

f) Auswählen von anderen Sätzen von Gewichtskoeffizienten auf der Grundlage der Messung; und

g) Wiederholen der Schritte b) bis f), um die Qualität der Fokussierung des Bilds zu optimieren.