一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法，根據(jù)一行中模擬視頻輸出圖像信號(hào)與背景噪音處于不同電平以及處理后僅需要圖像信號(hào)上升沿的特點(diǎn)，采用把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)與飽和區(qū)或者截止區(qū)之間的分界線上或者附近，以保證有用的圖像信號(hào)處于放大區(qū)域，而此處無(wú)用的行同步信號(hào)與背景噪音處于飽和或者截止區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大或衰減，進(jìn)而達(dá)到圖像信號(hào)與背景噪音等的比值增加的目標(biāo)。該方法對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大(甚至縮小)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)與噪音的比值增加，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“有效放大”。
【專利說(shuō)明】一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電子信號(hào)處理【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中各種信息通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)(電壓或者電流信號(hào))進(jìn)行處理的電路，通常由信號(hào)放大、分離、A/D轉(zhuǎn)換以及傳輸?shù)葞撞糠纸M成，是IT行業(yè)中最重要的硬件環(huán)節(jié)。而對(duì)于三維攝像系統(tǒng)中視頻輸出的微弱電壓信號(hào)進(jìn)行有效的放大又是信號(hào)處理中難度最大的環(huán)節(jié)，這是因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用過(guò)程中為了保證人身安全，由于直接照射在人的面部的激光強(qiáng)度受到限制以及照射方向與面部變化曲面角度不同等原因，使得這種信號(hào)一般情況下呈現(xiàn)出幅度小、不穩(wěn)定以及與之形影相隨的環(huán)境背景亮度等形成的噪音(干擾信號(hào))。對(duì)于放大電路來(lái)說(shuō)，希望能夠在盡量抑制噪音(由背景、環(huán)境以及放大電路本身產(chǎn)生的沒(méi)有用而且有害的電壓或者電流)的條件下對(duì)信號(hào)(檢測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)化成的有用電壓或者電流)進(jìn)行盡可能的放大，才能達(dá)到信號(hào)的有效放大效果。即這里說(shuō)的“有效放大”是指該電路不但能夠?qū)τ谛盘?hào)進(jìn)行正常放大，而且具有對(duì)于噪音放大能夠進(jìn)行一定程度抑制甚至縮小(放大倍數(shù)< I)的功能，也就是通常所說(shuō)的提高信號(hào)噪音比功能，一般用信號(hào)與噪音的比值Vs/Vn表示。
[0003]通常情況下都是利用三極管在放大區(qū)工作狀態(tài)下對(duì)于視頻類的高頻信號(hào)進(jìn)行放大的同時(shí)，對(duì)其必然存在的背景噪音等也進(jìn)行了同樣倍數(shù)的放大，而且由于放大電路中三極管、電阻等元器件本身固有噪音、焊點(diǎn)、接插件接觸不良的工藝噪音以及周?chē)h(huán)境引起的干擾噪音三部分噪音疊加后形成的放大效果中，這些噪音的客觀存在必然導(dǎo)致Vs/Vn還會(huì)下降；而且隨著放大電路級(jí)數(shù)的增加，在實(shí)際應(yīng)用電路中有可能導(dǎo)致經(jīng)過(guò)多級(jí)放大電路進(jìn)行放大后，輸出的信號(hào)最后被噪音隱沒(méi)而失去其放大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法。該方法利用動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大(甚至縮小)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)與噪音的比值增加，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“有效放大”。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0006]這種有效放大信號(hào)的方法是:根據(jù)一行中模擬視頻輸出圖像信號(hào)與背景噪音處于不同電平以及處理后僅需要圖像信號(hào)上升沿的特點(diǎn)，采用把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)與飽和區(qū)或者截止區(qū)之間的分界線上或者附近，以保證有用的圖像信號(hào)處于放大區(qū)域，而此處無(wú)用的行同步信號(hào)與背景噪音處于飽和或者截止區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大或衰減，進(jìn)而達(dá)到圖像信號(hào)與背景噪音等的比值增加的目標(biāo)。
[0007]進(jìn)一步，針對(duì)具體放大電路結(jié)構(gòu)其定態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置:對(duì)于以NPN三極管組成的共基極放大電路，若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以上，則選擇放大區(qū)與飽和區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)；若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以下，則選擇放大區(qū)與截止區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)；這里為了得到更好的高頻特性采用共基極放大電路，如果采用共發(fā)射極放大電路則相反；另外，對(duì)于以PNP型三極管組成的共發(fā)射極放大電路又與NPN型恰恰相反。
[0008]進(jìn)一步，定態(tài)工作點(diǎn)是否設(shè)置在放大區(qū)與飽和或者截止區(qū)形成的二個(gè)分界線上或者在其附近的放大區(qū)域中的某一點(diǎn)取決于一行視頻信號(hào)中的圖像信號(hào)與背景噪音的幅度之比，所以采用試驗(yàn)方法，在示波器監(jiān)視下通過(guò)調(diào)節(jié)Rb或者Rc使得顯示波形達(dá)到最佳輸出效果的方法來(lái)確定定態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)放大過(guò)程中最大的信號(hào)噪音比值輸出。
[0009]本發(fā)明具有以下有益效果:
[0010]本發(fā)明的有效放大信號(hào)的方法利用動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大(甚至縮小)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)與噪音的比值增加，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“有效放大”。
[0011]進(jìn)一步，本發(fā)明針對(duì)被放大信號(hào)的具體特點(diǎn)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的放大電路，通過(guò)提高Vs/Vn的途徑實(shí)現(xiàn)信號(hào)的有效放大，進(jìn)而從背景噪音中完整準(zhǔn)確的提取出圖像信號(hào)的上升沿提供下一級(jí)電路使用，就顯得十分重要。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1為視頻信號(hào)示意圖；
[0013]圖2a為電路原理圖；
[0014]圖2b為交流通路圖；
[0015]圖3為本發(fā)明的圖解法示意圖；
[0016]圖4為信號(hào)放大原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本發(fā)明的有效放大信號(hào)的方法為:根據(jù)一行中模擬視頻輸出圖像信號(hào)與背景噪音處于不同電平以及處理后僅需要圖像信號(hào)上升沿的特點(diǎn)，一反常態(tài)的采用把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)與飽和區(qū)或者截止區(qū)之間的分界線上或者附近，以保證有用的圖像信號(hào)處于放大區(qū)域，而此處無(wú)用的行同步信號(hào)與背景噪音處于飽和或者截止區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大或衰減，進(jìn)而達(dá)到圖像信號(hào)與背景噪音等的比值增加的目標(biāo)。
[0018]針對(duì)具體放大電路結(jié)構(gòu)其定態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置:對(duì)于以NPN三極管組成的共基極放大電路，若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以上，則選擇放大區(qū)與飽和區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)；若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以下，則選擇放大區(qū)與截止區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)。這里為了得到更好的高頻特性采用共基極放大電路，如果采用共發(fā)射極放大電路則相反。另外，對(duì)于以PNP型三極管組成的共發(fā)射極放大電路又與NPN型恰恰相反。
[0019]針對(duì)具體放大電路結(jié)構(gòu)其定態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置主要特征在于:定態(tài)工作點(diǎn)是否設(shè)置在放大區(qū)與飽和或者截止區(qū)形成的二個(gè)分界線上或者在其附近的放大(飽和或者截止)區(qū)域中的某一點(diǎn)，主要取決于一行視頻信號(hào)中的圖像信號(hào)與背景噪音的幅度之比等因素，所以通常采用試驗(yàn)方法，在示波器監(jiān)視下通過(guò)調(diào)節(jié)Rb或者R。使得顯示波形達(dá)到最佳輸出效果的方法來(lái)確定定態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)放大過(guò)程中最大的信號(hào)噪音比值輸出。
[0020]本發(fā)明不局限于視頻中圖像信號(hào)處理，凡是具有有效信號(hào)與背景噪音處于不同電平特點(diǎn)的電信號(hào)，都能夠依次方法實(shí)現(xiàn)高信號(hào)噪音比的放大輸出。
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0022]根據(jù)模擬視頻輸出信號(hào)與背景噪音處于不同電平以及僅需要圖像信號(hào)上升沿的特點(diǎn)，突破通常只能夠把三極管靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大器的要求，采用把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)與飽和區(qū)(信號(hào)電平高于噪音電平)或者截止區(qū)之間(信號(hào)電平低于噪音電平)的分界線上的方法，正是利用動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大(甚至縮小)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)與噪音的比值增加，實(shí)現(xiàn) 真正意義上的“有效放大”。
[0023]工作原理
[0024]在利用線激光源作為激光刀實(shí)現(xiàn)人體三維輪廓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從模擬攝像頭中直接輸出的黑白圖像信號(hào)里的其中一行信號(hào)如圖1所示，其中圖像信號(hào)為2mm寬度的線激光源照射在人的面部后由攝像頭獲得的圖像并輸出的相應(yīng)電壓信號(hào)，其脈沖寬度T =10ns,即相當(dāng)于1MHz的高頻電壓信號(hào)；電壓信號(hào)幅度在0.1-0.5V之間隨著面部不同部位反射光強(qiáng)弱而變化(Vs≥0.1V)。而背景噪音通常接近于0.1V(Vn ( 0.1V);背景的噪音電壓則是由背景光以及信號(hào)采集電路本身產(chǎn)生的噪音疊加而成的；所以從輸入的視頻信號(hào)整體來(lái)看，視頻信號(hào)是幅度大小不斷變化著(即信號(hào)時(shí)而高出噪音較大幅度，時(shí)而又幾乎淹沒(méi)在噪音之中)的一個(gè)動(dòng)態(tài)的序列連續(xù)的輸送過(guò)來(lái)。而行同步信號(hào)則是由攝像頭中的行同步信號(hào)產(chǎn)生器提供的。
[0025]考慮到圖像信號(hào)的高頻率特性，采用分壓式共射極放大電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)該信號(hào)的放大處理，具體電路如圖2a所示，其中核心器件三極管采用高頻管3DG111型號(hào)，其等效交流通路如圖2b所示。
[0026]為了更好的描述這種放大電路的工作原理，以圖解法來(lái)進(jìn)行說(shuō)明更直觀清楚?’另外，選擇放大器區(qū)與飽和區(qū)之間的分界線上的某一點(diǎn)Q作為靜態(tài)工作點(diǎn)，則利用圖解法得到如圖3與圖4所示的信號(hào)放大原理圖。由于該單管放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置在飽和區(qū)與放大器的分界線上，如果把每一行視頻信號(hào)近似看成交流電壓信號(hào)，則包括背景噪音在內(nèi)的電平以下都處于飽和區(qū)，而圖像信號(hào)電平卻處于放大區(qū)或者接近放大區(qū)，由于三極管本身靜態(tài)工作點(diǎn)Q以及附近工作區(qū)域存在的非線性放大特點(diǎn)，協(xié)助我們很好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)于背景噪音有效抑制(電壓放大倍數(shù)遠(yuǎn)小于放大區(qū)的正常放大倍數(shù))和對(duì)于圖像信號(hào)的接近于正常放大功能，即有效提高了放大電路的Vs/Vn。其中圖4進(jìn)一步定量表明靜態(tài)工作點(diǎn)Q選擇進(jìn)入更深飽和區(qū)時(shí)Vs/Vn增加的更多；當(dāng)然靜態(tài)工作點(diǎn)Q的選擇還與輸入信號(hào)的具體波形等因素有關(guān)，應(yīng)該在示波器的監(jiān)視下具體通過(guò)聯(lián)合調(diào)節(jié)上分壓電位器Wb和集電極電位器Wc來(lái)進(jìn)行，一旦這二個(gè)電阻值具體確定后再將其更換成等值電阻安裝在放大電路板的對(duì)應(yīng)位置上。這里不再詳述。
[0027]同樣道理，對(duì)于這樣一個(gè)視頻圖像信號(hào)如果相反的采用PNP型三極管構(gòu)成單管放大電路，這時(shí)選擇靜態(tài)工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)與截止區(qū)分界線上的某一點(diǎn)，也能夠達(dá)到有效提高了放大電路的Vs/Vn參數(shù)的目標(biāo)。
[0028]實(shí)施過(guò)程
[0029]對(duì)于信號(hào)放大電路，在正常情況下不管是教科書(shū)還是實(shí)際應(yīng)用電路設(shè)計(jì)中都是要求不但其靜態(tài)工作點(diǎn)處于放大區(qū)，而且在直流電壓基礎(chǔ)上疊加交流電壓信號(hào)后的動(dòng)態(tài)電壓在任何時(shí)候都不得超出線性放大區(qū)，否則就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)的飽和或者截止失真(飽和失真:動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)一旦進(jìn)入飽和區(qū)所產(chǎn)生的失真；截止失真:動(dòng)態(tài)電壓信號(hào)一旦進(jìn)入截止區(qū)所產(chǎn)生的失真；)現(xiàn)象。這種失真實(shí)質(zhì)上是由于在三極管的放大區(qū)以外的飽和區(qū)域或者截止區(qū)域時(shí)，其電壓放大倍數(shù)不但小于放大區(qū)域，而且呈現(xiàn)為非線性；完全不同于通常要求的放大必須是對(duì)于整個(gè)信號(hào)電壓進(jìn)行同樣倍數(shù)的放大的概念。但是在這里也正是利用這個(gè)特點(diǎn)，針對(duì)從視頻信號(hào)中放大并僅僅提取有效信號(hào)的上升沿的要求，專門(mén)通過(guò)直流偏置電路中相關(guān)元件參數(shù)的調(diào)整，使其靜態(tài)工作點(diǎn)Q處于放大區(qū)與飽和區(qū)(或者截止區(qū))分界線，從而利用電壓信號(hào)處于放大區(qū)域進(jìn)行正常放大(遠(yuǎn)大于I)，而處于飽和區(qū)或者截止區(qū)的背景噪音放大倍數(shù)則大幅度減小甚至< 1，從而通過(guò)正常放大信號(hào)的同時(shí)有效抑制背景噪音的原理，有效提聞放大電路的Vs/Vn。
[0030]此方法研究起源于三維成像系統(tǒng)中視頻信號(hào)的有效放大處理電路，但是不限于此領(lǐng)域，而且該技術(shù)還可以推廣應(yīng)用于具有類似特征和要求的任何信號(hào)的處理電路設(shè)計(jì)中。
【權(quán)利要求】
1.一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法，其特征在于，根據(jù)一行中模擬視頻輸出圖像信號(hào)與背景噪音處于不同電平以及處理后僅需要圖像信號(hào)上升沿的特點(diǎn)，采用把三極管的靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置在放大區(qū)與飽和區(qū)或者截止區(qū)之間的分界線上或者附近，以保證有用的圖像信號(hào)處于放大區(qū)域，而此處無(wú)用的行同步信號(hào)與背景噪音處于飽和或者截止區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)在動(dòng)態(tài)情況下利用不同區(qū)域放大倍數(shù)不同的非線性特點(diǎn)對(duì)處于不同區(qū)域的信號(hào)和噪音分別進(jìn)行不同倍數(shù)的放大或衰減，進(jìn)而達(dá)到圖像信號(hào)與背景噪音等的比值增加的目標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法，其特征在于，針對(duì)具體放大電路結(jié)構(gòu)其定態(tài)工作點(diǎn)設(shè)置:對(duì)于以NPN三極管組成的共基極放大電路，若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以上，則選擇放大區(qū)與飽和區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)；若圖像信號(hào)電平處于背景噪音電平以下，則選擇放大區(qū)與截止區(qū)分界線或者附近作為其定態(tài)工作點(diǎn)；這里為了得到更好的高頻特性采用共基極放大電路，如果采用共發(fā)射極放大電路則相反；另外，對(duì)于以PNP型三極管組成的共發(fā)射極放大電路又與NPN型恰恰相反。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種有效放大視頻圖像信號(hào)的方法，其特征在于，定態(tài)工作點(diǎn)是否設(shè)置在放大區(qū)與飽和或者截止區(qū)形成的二個(gè)分界線上或者在其附近的放大區(qū)域中的某一點(diǎn)取決于一行視頻信號(hào)中的圖像信號(hào)與背景噪音的幅度之比，所以采用試驗(yàn)方法，在示波器監(jiān)視下通過(guò)調(diào)節(jié)Rb或者R。使得顯示波形達(dá)到最佳輸出效果的方法來(lái)確定定態(tài)工作點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)放大過(guò)程中最大的信號(hào)噪音比值輸出。
【文檔編號(hào)】H03F3/20GK104038667SQ201410255350
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】辛登科, 張洗玉, 寧鐸, 李逸博 申請(qǐng)人:陜西科技大學(xué)