一种有效放大视频图像信号的方法
【专利摘要】本发明公开了一种有效放大视频图像信号的方法，根据一行中模拟视频输出图像信号与背景噪音处于不同电平以及处理后仅需要图像信号上升沿的特点，采用把三极管的静态工作点设置在放大区与饱和区或者截止区之间的分界线上或者附近，以保证有用的图像信号处于放大区域，而此处无用的行同步信号与背景噪音处于饱和或者截止区，从而实现在动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大或衰减，进而达到图像信号与背景噪音等的比值增加的目标。该方法对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大(甚至缩小)，进而达到信号与噪音的比值增加，实现真正意义上的“有效放大”。
【专利说明】一种有效放大视频图像信号的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电子信号处理【技术领域】，涉及一种有效放大视频图像信号的方法。
【背景技术】
[0002]对于现实生活中各种信息通过传感器转换成的电信号(电压或者电流信号)进行处理的电路，通常由信号放大、分离、A/D转换以及传输等几部分组成，是IT行业中最重要的硬件环节。而对于三维摄像系统中视频输出的微弱电压信号进行有效的放大又是信号处理中难度最大的环节，这是因为实际应用过程中为了保证人身安全，由于直接照射在人的面部的激光强度受到限制以及照射方向与面部变化曲面角度不同等原因，使得这种信号一般情况下呈现出幅度小、不稳定以及与之形影相随的环境背景亮度等形成的噪音(干扰信号)。对于放大电路来说，希望能够在尽量抑制噪音(由背景、环境以及放大电路本身产生的没有用而且有害的电压或者电流)的条件下对信号(检测目标转化成的有用电压或者电流)进行尽可能的放大，才能达到信号的有效放大效果。即这里说的“有效放大”是指该电路不但能够对于信号进行正常放大，而且具有对于噪音放大能够进行一定程度抑制甚至缩小(放大倍数< I)的功能，也就是通常所说的提高信号噪音比功能，一般用信号与噪音的比值Vs/Vn表示。
[0003]通常情况下都是利用三极管在放大区工作状态下对于视频类的高频信号进行放大的同时，对其必然存在的背景噪音等也进行了同样倍数的放大，而且由于放大电路中三极管、电阻等元器件本身固有噪音、焊点、接插件接触不良的工艺噪音以及周围环境引起的干扰噪音三部分噪音叠加后形成的放大效果中，这些噪音的客观存在必然导致Vs/Vn还会下降；而且随着放大电路级数的增加，在实际应用电路中有可能导致经过多级放大电路进行放大后，输出的信号最后被噪音隐没而失去其放大的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种有效放大视频图像信号的方法。该方法利用动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大(甚至缩小)，进而达到信号与噪音的比值增加，实现真正意义上的“有效放大”。
[0005]本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
[0006]这种有效放大信号的方法是:根据一行中模拟视频输出图像信号与背景噪音处于不同电平以及处理后仅需要图像信号上升沿的特点，采用把三极管的静态工作点设置在放大区与饱和区或者截止区之间的分界线上或者附近，以保证有用的图像信号处于放大区域，而此处无用的行同步信号与背景噪音处于饱和或者截止区，从而实现在动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大或衰减，进而达到图像信号与背景噪音等的比值增加的目标。
[0007]进一步，针对具体放大电路结构其定态工作点设置:对于以NPN三极管组成的共基极放大电路，若图像信号电平处于背景噪音电平以上，则选择放大区与饱和区分界线或者附近作为其定态工作点；若图像信号电平处于背景噪音电平以下，则选择放大区与截止区分界线或者附近作为其定态工作点；这里为了得到更好的高频特性采用共基极放大电路，如果采用共发射极放大电路则相反；另外，对于以PNP型三极管组成的共发射极放大电路又与NPN型恰恰相反。
[0008]进一步，定态工作点是否设置在放大区与饱和或者截止区形成的二个分界线上或者在其附近的放大区域中的某一点取决于一行视频信号中的图像信号与背景噪音的幅度之比，所以采用试验方法，在示波器监视下通过调节Rb或者Rc使得显示波形达到最佳输出效果的方法来确定定态工作点，以实现放大过程中最大的信号噪音比值输出。
[0009]本发明具有以下有益效果:
[0010]本发明的有效放大信号的方法利用动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大(甚至缩小)，进而达到信号与噪音的比值增加，实现真正意义上的“有效放大”。
[0011]进一步，本发明针对被放大信号的具体特点进行深入系统的研究并设计出相应的放大电路，通过提高Vs/Vn的途径实现信号的有效放大，进而从背景噪音中完整准确的提取出图像信号的上升沿提供下一级电路使用，就显得十分重要。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为视频信号示意图；
[0013]图2a为电路原理图；
[0014]图2b为交流通路图；
[0015]图3为本发明的图解法示意图；
[0016]图4为信号放大原理图。
【具体实施方式】
[0017]本发明的有效放大信号的方法为:根据一行中模拟视频输出图像信号与背景噪音处于不同电平以及处理后仅需要图像信号上升沿的特点，一反常态的采用把三极管的静态工作点设置在放大区与饱和区或者截止区之间的分界线上或者附近，以保证有用的图像信号处于放大区域，而此处无用的行同步信号与背景噪音处于饱和或者截止区，从而实现在动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大或衰减，进而达到图像信号与背景噪音等的比值增加的目标。
[0018]针对具体放大电路结构其定态工作点设置:对于以NPN三极管组成的共基极放大电路，若图像信号电平处于背景噪音电平以上，则选择放大区与饱和区分界线或者附近作为其定态工作点；若图像信号电平处于背景噪音电平以下，则选择放大区与截止区分界线或者附近作为其定态工作点。这里为了得到更好的高频特性采用共基极放大电路，如果采用共发射极放大电路则相反。另外，对于以PNP型三极管组成的共发射极放大电路又与NPN型恰恰相反。
[0019]针对具体放大电路结构其定态工作点设置主要特征在于:定态工作点是否设置在放大区与饱和或者截止区形成的二个分界线上或者在其附近的放大(饱和或者截止)区域中的某一点，主要取决于一行视频信号中的图像信号与背景噪音的幅度之比等因素，所以通常采用试验方法，在示波器监视下通过调节Rb或者R。使得显示波形达到最佳输出效果的方法来确定定态工作点，以实现放大过程中最大的信号噪音比值输出。
[0020]本发明不局限于视频中图像信号处理，凡是具有有效信号与背景噪音处于不同电平特点的电信号，都能够依次方法实现高信号噪音比的放大输出。
[0021]下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0022]根据模拟视频输出信号与背景噪音处于不同电平以及仅需要图像信号上升沿的特点，突破通常只能够把三极管静态工作点设置在放大器的要求，采用把三极管的静态工作点设置在放大区与饱和区(信号电平高于噪音电平)或者截止区之间(信号电平低于噪音电平)的分界线上的方法，正是利用动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大(甚至缩小)，进而达到信号与噪音的比值增加，实现 真正意义上的“有效放大”。
[0023]工作原理
[0024]在利用线激光源作为激光刀实现人体三维轮廓数据采集系统中，从模拟摄像头中直接输出的黑白图像信号里的其中一行信号如图1所示，其中图像信号为2mm宽度的线激光源照射在人的面部后由摄像头获得的图像并输出的相应电压信号，其脉冲宽度T =10ns,即相当于1MHz的高频电压信号；电压信号幅度在0.1-0.5V之间随着面部不同部位反射光强弱而变化(Vs≥0.1V)。而背景噪音通常接近于0.1V(Vn ( 0.1V);背景的噪音电压则是由背景光以及信号采集电路本身产生的噪音叠加而成的；所以从输入的视频信号整体来看，视频信号是幅度大小不断变化着(即信号时而高出噪音较大幅度，时而又几乎淹没在噪音之中)的一个动态的序列连续的输送过来。而行同步信号则是由摄像头中的行同步信号产生器提供的。
[0025]考虑到图像信号的高频率特性，采用分压式共射极放大电路结构来实现该信号的放大处理，具体电路如图2a所示，其中核心器件三极管采用高频管3DG111型号，其等效交流通路如图2b所示。
[0026]为了更好的描述这种放大电路的工作原理，以图解法来进行说明更直观清楚?’另外，选择放大器区与饱和区之间的分界线上的某一点Q作为静态工作点，则利用图解法得到如图3与图4所示的信号放大原理图。由于该单管放大电路的静态工作点Q设置在饱和区与放大器的分界线上，如果把每一行视频信号近似看成交流电压信号，则包括背景噪音在内的电平以下都处于饱和区，而图像信号电平却处于放大区或者接近放大区，由于三极管本身静态工作点Q以及附近工作区域存在的非线性放大特点，协助我们很好的实现了对于背景噪音有效抑制(电压放大倍数远小于放大区的正常放大倍数)和对于图像信号的接近于正常放大功能，即有效提高了放大电路的Vs/Vn。其中图4进一步定量表明静态工作点Q选择进入更深饱和区时Vs/Vn增加的更多；当然静态工作点Q的选择还与输入信号的具体波形等因素有关，应该在示波器的监视下具体通过联合调节上分压电位器Wb和集电极电位器Wc来进行，一旦这二个电阻值具体确定后再将其更换成等值电阻安装在放大电路板的对应位置上。这里不再详述。
[0027]同样道理，对于这样一个视频图像信号如果相反的采用PNP型三极管构成单管放大电路，这时选择静态工作点Q处于放大区与截止区分界线上的某一点，也能够达到有效提高了放大电路的Vs/Vn参数的目标。
[0028]实施过程
[0029]对于信号放大电路，在正常情况下不管是教科书还是实际应用电路设计中都是要求不但其静态工作点处于放大区，而且在直流电压基础上叠加交流电压信号后的动态电压在任何时候都不得超出线性放大区，否则就会产生信号的饱和或者截止失真(饱和失真:动态电压信号一旦进入饱和区所产生的失真；截止失真:动态电压信号一旦进入截止区所产生的失真；)现象。这种失真实质上是由于在三极管的放大区以外的饱和区域或者截止区域时，其电压放大倍数不但小于放大区域，而且呈现为非线性；完全不同于通常要求的放大必须是对于整个信号电压进行同样倍数的放大的概念。但是在这里也正是利用这个特点，针对从视频信号中放大并仅仅提取有效信号的上升沿的要求，专门通过直流偏置电路中相关元件参数的调整，使其静态工作点Q处于放大区与饱和区(或者截止区)分界线，从而利用电压信号处于放大区域进行正常放大(远大于I)，而处于饱和区或者截止区的背景噪音放大倍数则大幅度减小甚至< 1，从而通过正常放大信号的同时有效抑制背景噪音的原理，有效提闻放大电路的Vs/Vn。
[0030]此方法研究起源于三维成像系统中视频信号的有效放大处理电路，但是不限于此领域，而且该技术还可以推广应用于具有类似特征和要求的任何信号的处理电路设计中。
【权利要求】
1.一种有效放大视频图像信号的方法，其特征在于，根据一行中模拟视频输出图像信号与背景噪音处于不同电平以及处理后仅需要图像信号上升沿的特点，采用把三极管的静态工作点设置在放大区与饱和区或者截止区之间的分界线上或者附近，以保证有用的图像信号处于放大区域，而此处无用的行同步信号与背景噪音处于饱和或者截止区，从而实现在动态情况下利用不同区域放大倍数不同的非线性特点对处于不同区域的信号和噪音分别进行不同倍数的放大或衰减，进而达到图像信号与背景噪音等的比值增加的目标。
2.根据权利要求1所述的一种有效放大视频图像信号的方法，其特征在于，针对具体放大电路结构其定态工作点设置:对于以NPN三极管组成的共基极放大电路，若图像信号电平处于背景噪音电平以上，则选择放大区与饱和区分界线或者附近作为其定态工作点；若图像信号电平处于背景噪音电平以下，则选择放大区与截止区分界线或者附近作为其定态工作点；这里为了得到更好的高频特性采用共基极放大电路，如果采用共发射极放大电路则相反；另外，对于以PNP型三极管组成的共发射极放大电路又与NPN型恰恰相反。
3.根据权利要求1所述的一种有效放大视频图像信号的方法，其特征在于，定态工作点是否设置在放大区与饱和或者截止区形成的二个分界线上或者在其附近的放大区域中的某一点取决于一行视频信号中的图像信号与背景噪音的幅度之比，所以采用试验方法，在示波器监视下通过调节Rb或者R。使得显示波形达到最佳输出效果的方法来确定定态工作点，以实现放大过程中最大的信号噪音比值输出。
【文档编号】H03F3/20GK104038667SQ201410255350
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月10日 优先权日:2014年6月10日
【发明者】辛登科, 张洗玉, 宁铎, 李逸博 申请人:陕西科技大学