DE2441640A1 - Anordnung zur automatischen zielverfolgung durch videokontrastanalyse - Google Patents

Description

PAWN -TA-NWÄL-TE- -■ ——

HLiNZ-JO^CHIM HUBER 30,8.1974

REINER PRlETSCH 8037-IV

MÖNCHEN 2 1

V ^l 73?," %1. Haussmann 75008 Paris, Frankreich.

"Anordnung zur automatischen Zielverfolgung durch

Videokontrastanalyse"

Priorität vom 31.August 1973 aus der französischen Patentanmeldung 73 31521.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur automatischen Zielverfolgung durch Videokontrastanalyse, mit einer Fernsehbildkamera, die das Videofrequenzsignal V des beobachteten Feldes und Synchronimpul.se für die Zeilen- und die Bildablenkung liefert, mit einer Generatorschaltung zur Erzeugung eines elektronischen Fensters, mit einem Fernsehempfänger oder Monitor zur Sichtbarmachung des Feldes und des Fensters, mit einer Schaltung zur

Einstellung der Abmessungen des Fensters auf solche Werte, daß der durch das Fenster begrenzte Feldausschnitt etwa dem sichtbar gemachten, zu verfolgenden Ziel entspricht, mit Fangeinrichtungen zur Positionierung des Fensters auf dem Ziel und mit automatischen Verfolgungseinrichtungen, die das Fenster dem Ziel nachführen. -

Im einzelnen handelt es sich um eine Anordnung, bei der ein Beobachtungsfeld, das das zu verfolgende Ziel enthält, auf dem Bildschirm einer Kathodenstrahlröhre sichtbar gemacht wird. Der Verfolgung geht ein Suchvorgang des Zieles voraus, derart, daß das letztere in das Innere des beobachteten Feldes gebracht wird hieran schließt sich ein Fangvorgang an. Dieser letztere kann zunächst durch den Bedienenden nach, visuellem .Erkennen des Zieles auf dem Bildschirm gesteuert werden, indem der Zielort mittels einer Markiereinrichtung nach Art des auf dem Bildschirm sichtbar gemachten elektronischen Fensters grob bezeichnet wird.

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Ein etwa der von dem Ziel bedeckten Fläche entsprechender, begrenzter Teil des Beobachtungsfeldes kann auf diese Weise betrachtet und mittels des Fensters isoliert v/erden. Nach Positionierung des Fensters auf das Ziel ist der Fangvorgang abgeschlossen und der Vorgang der Verfolgung kann nun durch Analyse ■ des Videokontrastes zwischen dem Ziel und seiner unmittelbaren ' Umgebung einsetzen. Das fenster wird nun dem Ziel nachgefiihrt und lolgt seinen Bewegungen in dein beobachteten Feld. Die Positionierungsdaten des Fensters können zur Messung der Ablage des Zieles in Bezug auf die Mittelachse oder Richtachse des Feldes ! verwendet werden. Das Meßergebnis kann zur Steuerung eines automatischen Richtvorganges auf das Ziel verwendet werden, indem man die Koinzidenz zwischen der Richtachse und der Zielachse : aufrecht erhält.

Die Einrichtungen zur Überwachung des Beobachtungsfeldes, zur Erzeugung eines entsprechenden Videosignales und zur Sichtbar- ; machung dieses Feldes umfassen zweckmäßig eine Fernsehkamera und: einen Fernsehempfänger oder Monitor üblicher Art. Die Anordnungen zur automatischen Verfolgung durch Bildübertragung gestatten die Feststellung und Verfolgung von Zielen, die einen schwanken-; den Kontrast in Bezug auf den Hintergrund des Feldes abgeben. j Diese Anordnungen besitzen den Vorteil, passiv zu sein, sowie ! die technischen Vorteile, die mit den Möglichkeiten von Bildröhren verknüpft sind, welche eine Feinanalyse des Feldes gestatten, sowie eine leichte Verarbeitung des erzeugten Videof req.uenzsignales.

Die Leistungsfähigkeit solcher Verfolgungsanordnungen hängt wesentlich von dem verwendeten Verfahren zur Analyse des Videokontrastes ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leistungsfähige Anordnung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die Verfolgung auch bei erheblichen Schwankungen der Hellig-

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keit des Zieles und/oder des Hintergrundes des das zielumgebenden Feldes sichergestellt bleibt. ·

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Verfolgungseinrichtungen eine Schaltung zur Messung des mittleren Pegels VM des Videosignals in jeder Zeile außerhalb und in der Nähe des Videosignals des Zieles, sowie eine Vergleichsschaltung, die jedesmal das Videosignal auf den gemessenen mittleren Pegel klemmt, und weiterhin eine Vollweggleichrichterschaltungi für das geklemmte Videosignal enthalten, und daß das gleichgerichtete Videosignal auf zwei Kanäle gelangt, nämlich einen ersten Kanal zur Messung längs einer ersten Achse X in Richtung der Zeilenablenkung und einen zweiten Kanal zur Messung längs einer zweiten Achse Y, die orthogonal zur ersten Achse verläuft, und jeder Kanal Schaltungen zur Selektion des in dem Fenster entjhaltenen Videosignales, zwei Schaltungen zur periodischen, mit der Periode der Bildablenkung oder einem Vielfachen davon erfolgenden Messung der in diesem letzteren Signal vorhandenen Energie in dem ersten Halbfenster und in dem zweiten Halbfenster längs der betrachteten Achse, und eine Vergleichsschaltung enthält, die ein Fehlersignal entsprechend der Differenz der gemessenen Energien längs der betrachteten Achse liefert, das den längs dieser Achse vorhandenen Positionierungsfehler zwischen der Mitte des Fensters und dem Energiezentrum des Zieles darstellt.

Die Erfindung läßt sich auch damit umschreiben, daß die Anordnung Einrichtungen zur automatischen Verfolgung umfaßt, die Zeile für Zeile eine Messung des in. der Nachbarschaft des Zieles vorhandenen, mittleren Videopegels durchführen, das Videosignal auf diesen mittleren Bezugspegel klemmen und eine Doppelweggleichrichtung des so geklemmten Signales vornelimen, dann jeweils längs der Zeilenablenkrichtung und längs der Bildablenkrichtung die Energien messen, die das in dem Fenster .enthaltene Videosignal längs den beiden aufeinanderfolgenden Halbfenstern entsprechend der betrachteten Achse aufweist, wobei der Vergleich der Meßergebnisse etwa den Koordinaten entspricht,

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um die die Mitte des Fensters in Bezug auf das Energie 25 en trum oder Baryzentrum des Zieles abliegt.

In der Zeichnung ist die Anordnung nach der Erfindung anhand von Blockschaltbildern, Schaltbildern und Diagrammen einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Pig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer automatischen Verfolgungsanordnung nach der Erfindung,

Pig. 2 eine schematische Darstellung des Bildschirmes und eine vertikale Ablenkkurve,

Pig. 3

und 4 ein Ausführungsbeispiel für die Fenstergeneratorschaltung und ein sich hierauf beziehendes Signaldiagramm,

Pig. 5

und 6 ein" Ausführungsbeispiel der Fangschaltung und ein sich hierauf beziehendes Signaldiagramm,

Fig. 7

bis 9 ein Ausführungsbeispiel der Videoverfolgungsschaltung

und sich hierauf beziehende Signaldiagramme.

Die automatische Fernseh-Verfolgungsanordnung gemäß dem vereinfachten Blockschaltbild in T?ig. 1 umfaßt die folgenden, zusammen wirkenden Elemente.

Eine Fernsehkamera 1 üblicher Bauart umfaßt die. Kameraröhre und die zugeordneten Versorgungs- und Ablenkschaltungen; das optische Objektiv 2 gestattet die Scharfeinstellung des beobachteten Feldes, die optische Achse AV entspricht der Visierachse oder Richtachse der Kamera. Das gelieferte Signal ist ein zusammengesetztes Signal und umfaßt sowohl das Videofrequenzsignal V als auch die Impulse für die horizontale Synchronisierung SH und die vertikale Synchronisierung SV der zeilenweisen Abtastung. Die als "horizontal" bezeichnete Zeilenablenkung bestimmt die Richtung einer ersten Bezugsmeßachse, die im folgenden als Achse X bezeichnet wird. Die Bildablenkung oder Vertikalablenkung be-

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stimmt die Richtung der zweiten Meßachse Y, die orthogonal zu der vorhergehenden verläuft.

Ein Pernsehempfänger 3 oder Monitor ebenfalls üblicher Art wird mit dem zusammengesetzten Signal versorgt, um auf seinem !Bildschirm 4 das durch die Kamera 1,2 beobachtete Feld sichtbar zu machen. Der Mittelpunkt des Bildes entspricht der Spur der Achse AV. Fig. 2 zeigt den Bildschirm und die durch den Mittelpunkt A des Bildschirmes gelegten Achsen X und Y.

Darüber hinaus sind Schaltungen 5,6 und 7 vorgesehen, die ein rechteckiges, elektronisches Fenster F (Fig.2) erzeugen. Die Synchronisierschaltung 5 erhalt das zusammengesetzte Signal und trennt hieraus die Synchronimpulse SH, SV ab. Sie erzeugt außerdem aus diesen Impulsen verschiedene Synchronisier- und Steuersignale, die für das Arbeiten der verschiedenen, die Anordnung : bildenden Schaltungen erforderlich sind. Pie Schaltung 6 er- . zeugt aus den Synchronisiersignalen ein Helltästsignal, das in ', der Schaltung 7 dem zusammengesetzten Signal beigemischt wird um das Fenster F sowie das Beobachtungsfeld■auf dem Bildschirm des Monitors sichtbar zu machen.

Weiterhin sind Fangschaltungen vorgesehen, die eine Photodetek- . torvorrichtung 8, die auch als ^photoempfindliche Pistole, oder als elektronischer Schreibstift bezeichnet wird, sowie die Schaltung 9 umfaßt. Der Schreibstift enthält ein photoempfind-Iiehes Element wie z.B. eine Photodiode und einen handbetätigtei \ Schalter. Sobald das freie Ende des Schreibstiftes 8 von dem Bedienenden auf einen gewählten Bereich des Bildschirmes 4 aufgesetzt wird, wird die Diode durch den Lichtstrom sensibilisiert, der sich aus der Kathodenstrahlabtastung des begrenzten, prak- . tisch punktförmigen Bereiches, auf den der Schreibstift gerichtet ist, ergibt. Durch Betätigung des Schalters löst der Bedienende die Übertragung des von der Diode festgestellten Signales _: SD an die Schaltung 9 aus. Das Signal SD enthält die Information! über die Lage des mit dem Schreibstift auf dem Bildschirm be- i

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zeichneten Bereich.es, wobei dieser Bereich durch das zu verfolgende Ziel gebildet wird, nachdem vorher Suchvorgänge durchgeführt wurden, die 2ur Ortung des Zieles in dem beobachteten Feld geführt haben und das Ziel auf dein Bildschirm des Empfängers visuell wiedererkannt wurde. Für die v/eitere Beschreibung wird nun angenommen, daß der Suchvorgang beendet ist, daß sich das Siel in dem beobachteten Feld befindet und durch seine Fora und durch seinen Kontrast auf dem Beobachtungs-Bildsehirn identifisierbar ist. Die Hilfseinrichtungen, die zur Durchführung des ijuciivorganges mittels Ausrichtung der Kamera verwendet werden, werden als nach bekanntem Stand der Technik ausgelegt betrachtet. Die Fangschaltung 9 ist doppelt vorhanden und umfaßt für jede Achse eine Speicherschaltung, die das sägezahnförmige Signal für die horizontale Ablenkung S1 X (Fig.3) oder für die Vertikalablenkung S1 Y (Fig.2) entsprechend der betrachteten Achse und das detektierte Signal SD erhält und ein Signal

52 für jede Achse erzeugt, das dem Pegel des Sägezahns im Augenblick der Anlegung des detektierten Signales entspricht. Die entsprechenden Pegel S2 X und S2 Y bezeichnen die Ausgangslage des Fensters für den Fangvorgang. Diese Ausgangspositionierung wird durch die Baugruppe 6 vorgenommen; nach einer bestimmten Anzahl von Vertikalablenkungen wird das detektierte Signal SD durch das Signal für die Fenstermitte S3, nämlich S3 X und

53 Y entsprechend den jeweiligen Achsen, ersetzt. Der Fangvorgang umfaßt somit in einem ersten Abschnitt eine anfängliche rasche Klemmung des Fensters auf den durch den Schreibstift bezeichneten Bereich ausgehend von dem Signal SD, sowie in einem zweiten Zeitabschnitt die Einriegelung der Lage der Mitte des Fensters auf diesen Bereich mit Hilfe des Signales S3. Unter der Annahme einer korrekten Bezeichnung des Zieles durch den Bedienenden hat der mit dem Schreibstift bezeichnete Bereich geringe Abmessungen, sodaß er sich nach dem Fangvorgang etwa in der . Mitte des Fensters befindet, sodaß die Verfolgungsschleife leicht einrasten kann.

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Schaltungen 10 zur automatischen Verfolgung führen eine Analyse
des Kontrastes des Videosignales in dem Fenster durch und er- j

zeugen ein Signal S4 für den Fehler der Positionierung- oder j Lage der Mitte des Fensters in 3ezug auf das energetische ; Zentrum oder Baryzentrum des praktisch aus dem Zielsignal be- I stehenden, selektierten Signales. Ebenso wie die Fangschaltun- . gen 9 sind die Verfolgungsschaltungen 10 doppelt vorhanden und · umfassen die jeweiligen Kanäle X und Y. Das Fehlersignal S4
wird periodisch gemessen, beispielsweise mit einer Periode _: gleich derjenigen der Bildablenkung oder einem Vielfachen davon ; und einer Summierschaltung 14 des Schaltungsblockes 6 zugeführt/ wo es nach Betrag und Vorzeichen dem Ablenksägezahn S1 hinzuge- ^: fügt wird um eine Nachführung der Lage des Fensters auf diejenige des Zieles zu ermöglichen. Das verwendete besondere Verfahren der Videoanalyse umfaßt die folgenden aufeinanderfolgenden Stufen: Messung eines 3ezugsvideopegels enstprechend dem mittleren" Videopegel der unmittelbaren Umgebung des Zieles, Angleichung
des Videosignales auf diesen Bezugspegel, Doppelweggleiehrichtung des somit geklemmten Videosignales, Ausblendung oder Selektion des gleichgerichteten, in dem Fenster enthaltenen Videosignals, Messung der Ablage der Kitte des Fensters von dem Baryzentrum längs jeder Achse durch Vornahme der entsprechenden ι Messungen der Energie in den beiden aufeinanderfolgenden Halb- '. fenstern einer betrachteten Achse und Vergleich der Keßergebnisse. Das Verfahren wird im Zusammenhang mit den Figuren 7 bis 9
noch genauer beschrieben werden.

Steuerschaltungen 11 gestatten die Zinsteilung der Abmessungen ·: des Fensters auf diejenigen des Zieles. Die Betriebsart "Videoverfolgung" erfordert, daß die Abmessungen des Fensters hinrei- · chend genau an diejenigen des Zieles angepaßt bleiben, derart,
daß dieses in seiner Gesamtheit sehr eng umschlossen bleibt.
Dies ergibt sich, aus dem Videokontrast, der zwischen dem Ziel
und. seiner unmittelbaren Umgebung,bestehend aus dem Hintergrund des Feldes, vorhanden ist; dieser Kontrast wird für die
Videoanalyse sowie für die Identifikation durch visuelle Erkennung durch den Bedienenden verwendet. Die Ausführung der

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Schaltungen 11 ist abhängig von dem ins Auge gefaßten Anwendungsfall.

Im Falle eines sich langsam bewegenden Zieles kann die Steuerung ganz einfach von Hand erfolgen und eine progressive oder diskontinuierliche Änderung bewirken oder es kann eine halbautomatische Steuerung Anwendung finden. Im Falle eines Zieles mit raschen Bewegungen kann eine aufwendigere automatische Steuerung erforderlich sein.

Nachgeordnete Auswertungsschaltungen 12 umfassen im allgemeinen Schaltungen zur Messung der Ablage, d.h. des zwischen der Achse AV und der Zielrichtung eingeschlossenen Winkels. Der Ablagewinkel ist durch die Koordinaten des Zentrums des Zieles in Bezug auf das Zentrum des Bildes bestimmt. Die Synchronisiersignale SH.und SV gestatten die Bestimmung des Mittelpunktes 0 des Bildes, der als Ursprung betrachtet wird und die Signale S3 X und S3 Y der Mitte des Fensters entsprechen etwa dem Zentrum des Zieles. Die Ablagemessung ergibt die Winkelabweichung XF, YF (Fig.2). Die Information über die Ablage kann insbesondere zur automatischen Nachführung der Stellung der Kamera in der X-Achse und der Y-Achse verwendet werden, sodaß das Ziel in der Mitte des Feldes bleibt. Die Schaltungen 12 sind in bekannter Weise und in Abhängigkeit vom_#Anwendungsfall aufgebaut.

Die im Schaltungsblock 6 enthaltenen Fenstergeneratorschaltungen umfassen für jede Achse die Hintereinanderschaltung aus einer Schaltung 13 zur Erzeugung der sägezahnförmigen Ablenkung S1 X -(S1 Y) ausgehend von dem entsprechenden Synchronisiersignal SH (SV), eine Summierschaltung 14, in der das Sägezahnsignal mit den Spannungen entsprechend den Positionierungssignalen S2 und dem Positionierungsfehlersignäl S4 addiert wird und eine Sohaltung 15» die die Fenstersignale FX und FY (Fig.3) liefert. Die Schaltung 15 erzeugt außerdem die Impulse für die Halbfenster F1 X und F2 X längs der Achse X, F1 Y-und F2 Y längs der Achse

Y (Fig.3). Die Helltastsignale SF werden in der Schaltung 16 aus

den Fenstersignalen PX und PY erzeugt.

Ein Ausftihrungsbeispiel einer automat!sehen Videoverfolgungsanordnung wird nunmehr in Verbindung mit den Figuren 3 bis 9 näher beschrieben.

Pig. 4 bezieht sich auf ein Ausführungsbeispiel der Fenstergeneratorschaltungen 6 (Fig.1). /

Die Schaltungen 13, 14 und 15 der Fig. Ί umfassen einen Kanal X und Kanal Y, die jeweils die entsprechende Synchronisierung SH und SV von der Schaltung 5 erhalten. In Fig. 4 ist lediglich der Kanal Y aus Gründen der Vereinfachung im einzelnen wiedergegeben; sich hierauf beziehende Signalformen sind in Fig» 3 dargestellt. Der Kanal X ist in analoger Weise, aufgebaut. Die am Ausgang der Summierschaltung zurückgewonnene Vertikal-Sägezahnspannung S1 Y wird zusammen mit den Pegeln S2 Y und S4 Y (sofern letztere vorhanden sind) drei·Schwellwertvergleichern, die als Kippschalter 20, 21 und 22 ausgeführt sind, zugeführt. Die Pegel der Schwellwerte V1 Y, V2 Y,. V3 Y werden von der Schaltung 11 (Fig.1) geliefert« Eine einfache logische Schaltungsanordnung, bestehend aus einem EXKIiUSIV - ODER - Glied 23 und drei UUD - Gliedern 24, 25 und 26 bildet daraus das Fenstersignal FY und die beiden Halbfenster FT Y und F2 Y längs der Achse Y. Die Schaltung 16 kann aus einer torschaltung 27 bestehen, die durch ein Signal FY gesteuert wird und der über einen zweiten Eingang das Signal FX des Kanäles X zugeführt wird. Das Signal PX wird somit dem. Eingang .äer logischen Schaltung 28 nur während der Dauer TFY des Anliegens des Signales FY zugeführt. Die Schaltung 28 erzeugt die Helltastsignale SF entsprechend einem rechteckigen elektronischen Fenster F (Fig.2). Die Überlagerung des Sägezahnes S1 Y mit einem Gleichspannungs-Positionierungssignal S2 Y gestatte't, den.Sägezahn in Bezug auf die Schwellwerte zu verschieben und demzufolge das Fenster in dem Ablenkbereich zu verschieben. Durch Hinzufügung des Positionierungsfehlers S4 Y zu der vorhergehenden Position des Fensters in Bezug auf den Nullpunkt oder Ursprung der Ablenkung

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längs der betrachteten Achse erhält man eine Nachführung des Fensters auf das Ziel.

Pig. 5 bezieht sich auf die Gangschaltungen 8 und 9 (Fig.1). Der photoempfindliche Stift 8 versorgt einen Kanal 9 Y wie dargestellt und außerdem einen analogen Kanal X, der aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt ist. Das von dem photoempfindlichen Element 31 festgestellte Signal SD wird einer logischen Schaltung 32 zugeführt, wo es in einen Impuls S 5 für die Ausgangslage der Mitte des Fensters umgesetzt wird. Dieser Impuls S 5 wird nur während einer entsprechend dem Schließen des Schalters 33 durch den Bedienenden "begrenzten Zeitdauer zugeführt, wobei diese Zeitdauer mindestens eine Vertikalablenkung umfaßt um zumindest einmal die Positionierungsinformation übertragen zu können. Die Schaltung 32 erzeugt darüberhinaus ein Signal S 6, das eine Torschaltung 34 steuert und den Durchgang eines in der Schaltung erzeugten Signales für die Mitte des Fensters während der vorerwähnten Zeitdauer sperrt. Das ODER - Glied 35 liefert somit zunächst das Signal S 5 für die Voreinstellung des Fensters; anschließend wird ausgehend von dem in der Schaltung erzeugten Signal für die Fenstermitte die Regelung oder Nachführung durchgeführt. Dieses in der Schaltung erzeugte Signal für die Fenstermitte kann durch die Rückflanke des in Fig. 6 dargestellten, invertierten Signales F1 Y für das Halbfenster erzeugt werden. Das Ausgangssignal des ODER-Gliedes 35 steuert eine Speicherschaltung 36, die das Sägezahnsignal S1 Y erhält. Der Pegel des Signales S1 Y im Augenblick des Anlegens des durch die Schaltung 35 übertragenen Signales wird in einemPufferspeicher 37 gespeichert, dessen Ausgang mit der Summierschaltung 14 Y verbunden ist. Synchronisiersignale S7 und S8 steuern den Pufferspeicher 37 bzw. die Integrierschaltung 13 Y mit der Folge der Vertikalablenkung; diese Synchronisiersignale können über die Synchronisierschaltung 4 (Fig. 1) gewonnen werden. Das Signal S 7 steuert die Übertragung des Pegels der Lage der Mitte des Fensters Y an die Summierschaltung 14 Y; anschließend bewirkt aas Signal S8 die periodische Rückstellung des Integrators auf Null am Ende jedes

Zyklus,

Das spezielle Videokontrastanalyseverfahren, das in der Verfolgungsanordnung verwendet wird, wird durch Fig. 7 veranschaulicht. Das von der Kamera gelieferte, zusammengesetzte Signal besitzt die bei S11 über eine betrachtete Zeilenablenkung veranschaulichte Form. Um den mittleren Pegel des Videösignales außerhalb des Zieles und nahe demselben, folglich also den mittleren Pegel des sich auf den das Ziel umgebenden Hintergrund j beziehenden Videosignals zu ermitteln, werden Abschnitte dieses letzteren Signals entnommen bzw. ausgeblendet. Diese· Entnahme findet in jeder Zeile statt und die Messung des Mittelwertes wird ebenfalls Zeile für Zeile durchgeführt. °Zur Entnsäame der Abschnitte wird in der Anordnung ein Selektionssignal erzeugt, undzwar entweder durch die Synchronisierschaltung 5 (Fig.1) oder durch die Schaltungsanordnung 5 und 6 (Fig.1). Das Selektionssignal umfaßt mindestens einen Abschnitt. Bei dem dargestellten Beispiel umfaßt das Selektionssignal SE zwei Abschnitte die zu beiden Seiten des horizontalen Fenstersignales FX in der Nähe des Beginns und des Endes des Fensters gewählt sind. Diese Abschnitte liegen somit außerhalb des Signales des betrachteten Zieles, das in seiner Gesamtheit von dem Fenster umschlossen wird. Die Zahl der.Abschnitte kann größer als zwei sein. Das Signal SE kann beispielsweise mittels logischen Schaltungen in Kanal X erhalten werden, die komplementär zur Schaltung 15 sind und zwei zusätzliche Schwellwertvergleicher umfassen. Das Videosignal des Zieles ist ein positives.oder negatives Videosignal oder, auch ein abwechselnd positives und negatives Videosignal . in Bezug auf den mittleren Videopegel VM in seiner Umgebung. Das Signal S11 wird auf den gemessenen Bezugspegel .geklemmt wie bei S 12 dargestellt, sowie anschließend doppelweggleichgerichtet, um das Signal S13 zu erhalten. Auf diese Weise wird ein Ziel, das eine Aufeinanderfolge von hellen und dunklen Bereichen umfaßt, ohne Informationsverlust wiederhergestellt. Lediglich das in dem Fenster liegende Signal SH. wird berücksichtigt, da dieses Signal im wesentlichen das Signal des Zieles umfaßt. Es wird nun durch Integration die in dem ausgeblendeten Signal

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5038Tt/07 8 G ~=

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SH enthaltene Energie gemessen, wobei zwei Messungen längs jeder Achse durchgeführt werden, von- denen die eine sich auf die in dem auf die erste Fensterhälfte längs der betrachteten Achse begrenzten Signal enthaltene Energie bezieht, während die zweite sich auf die Energie bezieht, die in dem auf die zweite Fensterhälfte längs dieser Achse begrenzten Signal enthalten ist. Somit wird für den Kanal X das Signal SH durch die Halbfenstersignale F1 X und F2 X in die Signale S15 und S16 unterteilt und die Messungen entsprechen jeweils den in den jeweiligen Signalen S 15 und S16 enthaltenen Energien; diese Messungen werden einzeln für die verschiedenen, aufeinanderfolgenden, in dem Fenster F enthaltenen Zeilen addiert. Im Kanal Y wird die durch das Signal SH dargestellte Energie zunächst im Verlauf der verschiedenen in dem ersten Halbfenster F1 Y enthaltenen Zeilen gemessen, anschließend im Verlauf der in dem zweiten Halbfenster F2 Y enthaltenen Zeilen. In jedem der Kanäle werden die zwei Messungen anschließend verglichen, woraus die Differenz erhalten wird, die die Information über die Ablage der Positionierung der Mitte des Fensters in Bezug auf das energetische Zentrum des Signales SH, also ziemlich genau den Positionierungsfehler des Zentrums des Fensters in Bezug auf das Baryzentrum des Zieles längs der betrachteten Achse darstellt. Der Vergleich der Meßergebnisse wird periodisch während des vertikalen Rücklaufes durchgeführt, wobei die Periode gleich derjenigen der Vertikalablenkung oder einem Vielfachen derselben ist. Die in Form einer Gleichspannung erhaltenen Differenzsignale bilden die Positionierungsfehlersignale S4 X und S4 Y, die den entsprechenden Summierschaltungen H X und H Y •zugeführt werden um die Mitte des Fensters dem energetischen Zentrum des Zieles nachzuführen.

Fig. 8 zeigt einen Teil der Videoverfolgungssohaltungen 10 der Fig. 1. Dieser Teil ist den beiden Kanälen X.und Y gemeinsam und erzeugt das gleichgerichtete Videosignal nach Klemmung auf den Bezugspegel. Das von der Kamera gelieferte, zusammengesetzte Signal wird einer Filterschaltung 40 zugeführt, deren

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Durchlaßbandbreite an die Minimaldauer des in Betracht gezogenen Zieles angepaßt ist. Das gefilterte Signal wird bei 41 verstärkt und einem ersten Eingang einer Vergleieherschaltung 42 wie etwa einem Differenzverstärker zugeführt, sowie dem zweiten Eingang dieser Schaltung über die Schaltungen 43 bis 45. Diese letzteren bestehen aus einer analogen Torschaltung 43, die durch das Ausblend- oder Selektionssignal SE gesteuert wird, aus einer Integrierschaltung 44 und einer Speicherschaltung 45. Die von dieser Torschaltung gelieferten Videoabschnitte werden in der Schaltung 44 integriert um den mittleren Pegel VM· zu er-, halten. Die Größe VM wird am Ende der Zeilenablenkung an die Speicherschaltung 45 übertragen, deren sich auf die vorhergehende Zeile beziehender Inhalt in Form einer Gleichspannung an den Vergleicher 42 übertragen wird. Die Zahl der Zeilenablenkung wird hoch angenommen, um eine gute Bilderkennung zu erzielen und es ergibt sich hieraus eine geringe Schwankung des Pegels VM von einer Zeile zur nächsten. Somit besitzt der analoge Vergleich in der Schaltung 42 mit einem um eine Zeile verschobenen mittleren Pegel praktisch keinen Nachteil.-Die Integrierschaltung 44 und die Speicherschaltung 45 werden durch Signale S7 X" und S8 X gesteuert, die analog zu den Signalen S7 Y und S8 Y der Pig. 6 sind, jedoch zeilenweise, also mit der Zeilenfrequenz, erzeugt werden. Die Schaltung 46, der das Ausgangssignal S 12 des Vergleichers zugeführt wird, ist eine Doppelweggleichrichterschaltung, die das gleichgerichtete Videosignal S13 liefert.

Fig. 9 zeigt den übrigen Teil der Videoverfolgungsschaltungen. Das Signal S 13 wird einem Kanal X und einem Kanal Y zugeführt. Eine Betätigung von drei Torschaltungen gestattet für jeden Kanal die Ausblendung des Videosignals. Der Kanal X umfaßt eine das Signal S13 erhaltende Torschaltung, die durch das Signal PY gesteuert wird und parallel die durch 3?1 X gesteuerte Torschaltung 50 X und die durch P2 X gesteuerte Torschaltung 51 X speist, sodaß die das Signal SH bildenden Signale S15 bzw. S16 (Fig. 7) in den beiden aufeinanderfolgenden Halbfenstern des Kanales X erhalten werden. Ebenso enthält der Kanal Y eine Tor-

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schaltung 47, die das Signal S13 erhält und durch das Signal PX gesteuert wird, wobei diese Schaltung das in dem Fenster enthaltene Videosignal SH gleichzeitig an die beiden Torschaltungen 50 X und 50 Γ abgibt, die durch die entsprechenden Signale der Halbfenster in der Achse Y, nämlich durch F1 Y und F2 Y gesteuert werden. Jeder Kanal ist somit nochmal in zwei TJnterkanäle unterteilt, die die Schaltungen zur Messung der Energie des ausgeblendeten Videosignales in dem entsprechenden Halbfenster umfassen. Diese Schaltungen enthalten für jeden Unterkanal eine Integrierschaltung 52 (53) in Serie mit einer Speicherschaltung 54 (55), welche Schaltungen periodisch durch Signale des Typs S8 Y und S7 Y (Fig.6) mit einer Periode gesteuert werden, die gleich der Periode des Bildwechsela TY oder einem Vielfachen davon ist. Die beiden Speicherschaltungen 54 und 55 liefern an eine Vergleichschaltung 57 des Differenzverstärkertyps eine Gleichspannung. ¥enn mit. E1 die durch die Meßschaltungen 52 bis 54 in dem ersten Halbfenster längs der· betrachteten Achse (E1 X in der X-Achse, E1 Y in der Y-Achse) gemessene Energie bezeichnet wird und mit E2 die durch die Meßschaltungen 53 bis 55 in dem zweiten Halbfenster gemessene Energie bezeichnet wird, ist der Ausgangspegel des Vergleichers proportional zu (E1 - Ξ2) und kann der entsprechenden Summierschaltung 14 zugeführt werden.

Die Steigung des Fehlersignals, kann ganz erheblich schwanken in Abhängigkeit von Änderungen der Abmessungen des Zieles, des Fensters und der Beleuchtung der beobachteten Szene, folglich in Abhängigkeit von Schwankungen der Gesamtenergie des in dem Fenster enthaltenen Signales S14. Eine, automatische Verstärkungsregelschaltung gestattet diese Steigung praktisch konstant zu halten und den Betrieb zu stabilisieren. Diese Schaltung nimmt eine Division des.Fehlersignals, das das Differenzsignal zwi-. sehen den von den beiden Halbfenstern einer Achse abgegebenen Signalen ist, durch das Summensignal derselben Halbfenster vor. Somit ist die herangezogene Korrekturspannung die Spannung (E1 - E2), gewichtet oder bewertet mit der Summe (E1 + E2), die

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ziemlich genau die Gesamtenergie des Zieles darstellt. Wenn diese Summe klein ist, ist die Verstärkung der Schaltung hoch; wenn umgekehrt die Summe einen hohen Wert erreicht, ist die Verstärkung gering. Die Bewertungsschaltung umfaßt eine Addierschaltung 56, deren Eingänge mit den Speicherschaltungen 54 und 55 des betrachteten Kanals verbunden sind und eine Dividierschaltung 58. Die Operationsschaltung 58 bildet den Quotienten

E1 - E2 '■·■.'.

indem sie dieses Verhältnis für eine, bestimmte Ablage E1 + E2

des Zieles annähernd konstant hält. Die von der Schaltung 58 gelieferte Spannung bildet eine. Fehlerspannung für die Augenblicksposition.

Ergänzend hierzu wird das Fehlersignal am Ausgang der·Dividierschaltung derart weiterverarbeitet, daß·der Geschwindigkeit, die das Ziel besitzt, Rechnung getragen wird. Der Geschwindigkeitsspeicher gestattet die Vorherbestimmung der zukünftigen Position des Zieles und der Änderung des das Fehlersignal in der Schleife beeinflußenden Koeffizienten um einen Faktor, der ausgehend von der relativen Verschiebungsgeschwindigkeit des Zieles errechnet ist. Die entsprechende" Schaltung enthält eine Integrierschaltung 59, der das Ausgangssignal der Dividierschaltung 58 zugeführt wird und eine einstellbare Schaltung 60, die durch einen Potentiometerteiler symbolisiert"ist. Dieser Teiler erhält an seinen entsprechenden Anschlüssen die vorgenannte, augenblickliche Fehlerspannung und diese selbe Spannung nach Integration in der Schaltung 59· Die Stellung des Schleifers gestattet die gleichzeitige Einstellung eines Bruchteiles k des Signales EV - E2 , wobei, k kleiner als 1 ist, sowie

E1 + E2

des komplementären Bruchteiles (1 - k) des integrierten Signalei wobei diese beiden Bruchteile über diesen Schleifer abgegriffen werden. Die Faktoren k und (1 - k) .sind abhängig vorder Stellung· des Schleifers, die durch Versuchet so ermittelt wird, daß

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der G-eschwindigkeisspeicher die Verstärkung der Schleife in einem bestimmten Maß beeinflußt. Die Schaltung 60.kann aus einem Operationsverstärker, der als einstellbarer Teiler geschaltet ist, bestehen.

Die vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels beschriebene Videoverfolgungsanordnung gestattet dank einer analogen Verarbeitung des verwendeten Videosignales eine automatische Verfolgung mit großer Anpassungsfähigkeit an schwierigste Betriebsbedingungen sicherzustellen, insbesondere also· in Gegenwart erheblicher Schwankungen der Helligkeit des Zieles und/oder des das Ziel umgebenden Hintergrundes.

Zu erwähnen ist, daß das zu verfolgende, in dem Fenster enthaltene Ziel insbesondere im Falle von sehr nahen Zielen oder Zielen sehr großer Abmessungen auch nur aus einem Teil der Gesamtheit des auf dem Bildschirm sichtbaren Zieles bestehen kann, undzwar unter der Voraussetzung, daß dieser Teil einer gegenüber den dem sichtbaren Ziel zugehörigen umgebenden Teilen hinreichend kontrastscharfen Einzelheit entspricht.

Die Verfolgungsanordnung kann demzufolge sowohl auf zivilem oder auf militärischem Gebiet Verwendung finden. Sie kann beispielsweise für die Überwachung und den Landeanflug von Flugzeugen verwendet werden oder auch in Feuerleitsysteme , integriert werden.

Wenn die Kamera auf einer mit einem in Bewegung befindlichen -Fahrzeug wie etwa einem Schiff festverbundeneh Plattform angeordnet ist, kann die Visierrichtung in bekannter Weise mittels einer Trägheitsplattform stabilisiert werden, die auf der Plattform angeordnete Kxeiselvorrlchtungen umfaßt. Die Interface- : Verbindungen sind gering und gestatten die Anordnung in einfacher Weise in ein Betriebssystem zu integrieren.

5 (ΠΠΠΊΤΤΓΤΒΤ

Claims (1)

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   Thornson-CSF, 175, Bl. Haussmann 75008 Paris, Prankreich

   Patentansprüche;

   Anordnung zur automatischen Zielverfolgung durch Videokontrastanalyse, mit einer Fernsehbildkamera, die das Videofrequenzsignal V des "beobachteten Feldes und Synchronimpulse

   für die Zeilen— und die Bildablenkung liefert, mit einer
   Generatorschaltung zur Erzeugung eines elektronischen
   Fensters, mit einem Fernsehempfänger oder Monitor zur Sichtbarmachung des Feldes und des Fensters, mit einer Schaltung zur Einstellung der Abmessungen des Fensters auf solche
   Werte, daß der durch das Fenster begrenzte Feldausschnitt
   etwa dem sichtbargemachten, zu. verfolgenden Ziel entspricht, mit Fangeinrichtungen zur Positionierung des Fensters auf
   dem Ziel und mit automatischen Verfolgungseinrichtungen, die das Fenster dem Ziel nachführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfolgungseinrichtungen eine Schaltung (43, 44, 45) zur Messung des mittleren Pegels (VM)des Videosignals in jeder Zeile außerhalb und in der -Nähe des Videosignals des Ziele^, sowie eine Vergleichsschaltung (42), die jedesmal'.das Videosignal auf den gemessenen mittleren Pegel klemmt, und weiterhin eine Vollweggleichrichterschaltung (46) für das geklemmte videosignal enthalten, und daß das gleichgerichtete
   Videosignal auf zwei Kanäle gelangt, nämlich einen ersten
   Kanal zur Messung längs einer ersten Achse X In Richtung der Zeilenablenkung und einen zweiten Kanal zur Messung längs '
   einer zweiten Achse Y, die orthogonal zur ersten Achse verläuft, und jeder Kanal Schaltungen zur Selektion des in dem Fenster enthaltenen Videosignals ,zwei Schaltungen zur peri-> odischen, mit der Periode der Bildablenkung oder einem Vielfachen davon erfolgenden Messung der in diesem letzteren Sig*··

   509811/0786

   nal vorhandenen Energie in dem ersten Halbfenster und in dem zweiten Halbfenster längs der betrachteten Achse, und eine i Vergleichsschaltung enthält, die ein Fehlersignal entspre- i chend der Differenz der gemessenen Energien längs der be- ₍ trachteten Achse liefert, das den längs dieser Achse vor- j handenen Positionierungsfehier zwischen der Mitte des Fensters und dem EnergieZentrum des Zieles darstellt. i

   2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die j

   Fangeinrichtungen eine Photodetektorvorrichtung (8) nach j

   Art des elektronischen Schreibstiftes zur Bezeichnung des \

   sichtbar gemachten Zieles und eine Fangschaltung (9) um- '

   fassen, die das Detektorsignal (SD) erhält und für jeden i Meßkanal mit einer Folge gleich der Bildwechselperiode oder einem Vielfachen davon ein Positionierungssignal für die Mitte des Fensters (S2) erzeugt und dieses Signal auf die Fenstergeneratorschaltung zur Erzeugung der Anfangspositionierung gelangt und daß die Fangschaltung Umsehalteinrichtungen enthält, die das Detektorsignal nach einer bestimmten, anfänglichen Fangdauer durch ein die Fenstermitte bezeichnendes Signal ersetzen.

   5. Anordnung naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfolgungseinrichtungen in jedem Kanal eine Schaltung zur automatischen Verstärkungsregelung enthalten, bestehend aus .einer von den beiden.Meßschaltungen des jeweiligen Kanals gespeisten Summierschaltung (56) und einer Dividierschaltung (58), die das entsprechende Summensignal sowie das Differenzsignal erhält und ein mit dem Wert der G-esamtenergie des in dem Fenster enthaltenen Videosignales bewertetes Positionisierungsfehlersignal liefert.

   4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bewertete Fehlersignal auf eine einstellbare Dividierschaltung (60) einerseits direkt, andererseits über einen Integrator gelangt, derart, daß ein Positionierungsfehlersignal

   - 3 50 9 8 Tf/ OfQQ :

   •4S·

   erhalten wird, das das bewertete Fehlersignal, multipliziert mit dem Koeffizienten k kleiner Eins, und das ,Ausgangssignal des Integrators, multipliziert mit dem komplementären Koeffizienten (1-k), umfaßt·, wobei der Koeffizient k einstellbar ist.

   5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fenstergeneratorschaltung für Jeden Kanal eine Summierschaltung (14) enthält, die einerseits, eine Sägezahnspannung entsprechend der Ablenkspannung längs der jeweiligen Achse und andererseits von der entsprechenden Fangschaltung das Signal für die Position der Fenstermitte in Form einer Gleichspannung, sowie von.den entsprechenden Verfolgungsschaltungen das Signal für den Positionierungsfehler der Fenstermitte ebenfalls in Form einer Gleichspannung erhält und daß der Ausgang der Summierschaltung mit parallel liegenden Eingängen von drei Schwellwertvergleicher schaltungen verbunden ist, deren Schwellwertpegel dem Anfang bzw. der Mitte bzw. dem Ende des Fensters längs der jeweiligen Achse entspricht.

   6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch, gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Ermittlung des mittleren Videopegels in Serie eine Selektionsschaltung (43) für Abschnitte des Videosignals, eine Integrationsschaltung (44) und eine Speicherschaltung (45) umfaßt, und die Selektionsschaltung eine Torschaltung ist, die von einem Signal mit der Periode der Zeilenfolge gesteuert wird, welches Signal aus zwei Impulsen zusammengesetzt<ist, die vor dem Anfang bzw. nach dem Ende des Fensters länge der Achse'X liegen.

   7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Energiemeßschaltungen Jeden Kanals die Serienschaltung eines Integrators und eineB Speichers umfassen. · '. ' ■> \

   8. Anordnung nach, den Ansprüchen 2 und 5 oder nach den Ansprüchen 2 und 5 und einem der Ansprüche 3» 4» 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fangschaltung pro Kanal eine logische Schaltung (32,34,35) umfaßt, die ausgehend von dem Detektorsignal einen Positionierungsimpuls für die Fenstermitte, dann das erzeugte Signal für die Fenstermitte liefert und daß der genannte Impuls in einen Speicher (36) gelangt, der außerdem die sägezahnförmige Ablenkspannung längs der "betreffenden Achse erhält, und daß der Speicher einen Pufferspeicher (37) speist, der periodisch die Gleichspannung für die Position der Fenstermitte an die entsprechende Summierschaltung der Fenstergeneratorschaltung liefert.

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