Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения
COMPUTER SYSTEM FOR PANORAMIC SCANNING OF A MONOCHROME IMAGE

Предполагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному сканированию, которое осуществляется компьютерной системой при помощи телевизионной камеры в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места. Сенсором такого сканера является однострочный «кольцевой» фотоприемник монохромного (черно-белого) изображения, выполненный по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр сканируемого изображения, содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и «кольцевой» фотоприемник (сенсор), который выполнен по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и содержит на его кристалле «кольцевую» однострочную фотоприемную область, «кольцевой» фотозатвор, «кольцевой» выходной регистр и блок преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), причем «кольцевой» фотоприемник кинематически связан с блоком механического сканирования сенсора, который осуществляет его шаговое перемещение в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива; в состав телевизионной камеры также входят блок «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала и соединенные последовательно сигнальный процессор и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого является выходом телевизионной камеры, причем первый выход блока развертки подключен соответственно к управляющим входам «кольцевой» фотоприемной области сенсора и ее «кольцевого» фотозатвора, второй выход блока развертки - к управляющим входам «кольцевого» выходного регистра сенсора, третий выход блока развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока развертки - к тактовому входу АЦП, пятый выход блока развертки - к входу синхронизации блока механического сканирования сенсора, а управляющий вход блока развертки - к выходу управления экспозицией сигнального процессора; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров n, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру для цикла механического сканирования сенсора, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
В прототипе путем шагового перемещения однострочного «кольцевого» фотоприемника на ширину строки в направлении, которое перпендикулярно относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива, реализуется режим работы оригинального сканера с повышенной разрешающей способностью формируемого изображения.
Недостаток прототипа - ограниченная степень интеграции телевизионной камеры из-за применяемой технологии ПЗС для изготовления ее «кольцевого» сенсора, принципиально не позволяющей разместить на кристалле электронное «обрамление» фотоприемника.
Здесь под этим термином конкретно подразумевается блоковая совокупность, включающая в себя блок «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала, сигнальный процессор и АЦП.
Задачей изобретения является повышение степени интеграции телевизионной камеры за счет выполнения однострочного «кольцевого» сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы для панорамного сканирования изображения решается тем, что, как и в устройстве прототипа [1], содержащем последовательно соединенные телевизионную камеру и сервер, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, при этом телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр сканируемого изображения, содержит в своем составе последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив и «кольцевой» фотоприемник (сенсор), содержащий «кольцевую» однострочную фотоприемную область (мишень) и кинематически связанный с блоком механического сканирования сенсора, который осуществляет его шаговое перемещение на ширину строки в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива; в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управления и питанию с шиной сервера, содержащая БПКП, вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров n, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру для цикла механического сканирования сенсора, удовлетворяет соотношению (1), но при этом, в отличие от прототипа [1], сам сенсор выполнен на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем однострочная «кольцевая» мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель аналогового видеосигнала с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого активного пиксела мишени, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора развертки и обеспечивают передачу видеосигнала на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника и одновременно выходом телевизионной камеры, причем управление АЦП активных пикселов мишени сенсора осуществляется с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора развертки, а в состав телевизионной камеры дополнительно введена светорегулирующая ячейка, которая выполнена на основе электрохромного прибора, установлена в заднем отрезке панорамного объектива и осуществляет пропускание светового потока на мишень сенсора или ее изолирование от этого светового потока по сигналу управления с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора, который одновременно является управляющим сигналом и для блока механического сканирования сенсора.
По отношению к прототипу [1] заявляемое устройство отличается технологией КМОП взамен ПЗС для изготовления однострочного «кольцевого» фотоприемника и методом «координатная адресация» его организации. Благодаря первому принципиальному отличию обеспечивается возможность интегрирования на общий кристалл не только фотоприемник с АЦП и усилителем для каждого его светочувствительного пиксела, но и блок строчной развертки, что может быть реализовано с существенным понижением общего энергопотребления.
Второе же принципиальное отличие, заключается в том, что формирование цифрового видеосигнала непосредственно в каждом активном пикселе сенсора, позволяет отказаться от неизбежного протаскивания заряда для однострочного ПЗС-сенсора по всей строке, а поэтому - избежать специфичных искажений, связанных с неэффективностью переноса зарядовых пакетов.
Это означает возможность реализации в КМОП-фотоприемниках более высокой частоты опроса, превышающей частоту считывания зарядовых пакетов в односточных ПЗС-сенсорах, или при той же частоте опроса существенно увеличить число пикселов по строке, а в результате добиться адекватного выигрыша в разрешающей способности прибора.
В состав телевизионной камеры заявляемого устройства введен и новый блок, а именно: светорегулирующая ячейка, выполняющая функции «кольцевого» фотозатвора применительно к световым потокам, а не к зарядовым пакетам изображения, как в прототипе [1].
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом устройстве путем шагового перемещения нового «кольцевого» фотоприемника на ширину строки в направлении, которое перпендикулярно относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива, реализуется режим работы сканера с потенциально повышенной разрешающей способностью и в цифровом формате изображения.
Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения; на фиг. 2 - схемотехническая организации нового фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 3 - подробности этой организации применительно к области «А», отмеченной на фиг. 2 пунктиром; на фиг 4 и 5 - соответственно конструкция и типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки; на фиг. 6, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 7 - предлагаемое оператору панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.
Заявляемая компьютерная система панорамного телевизионного наблюдения (см. фиг. 1) содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2 (с установленной в нем платой видео), который является узлом локальной вычислительной сети, с возможностью подключения к ней двух или более персональных компьютеров в позиции 3.
Телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1, светорегулирующую ячейку 1-4 и однострочный «кольцевой» фотоприемник 1-2, выполненный по технологии КМОП, на кристалле которого расположены (см. фиг. 2) «кольцевая» однострочная фотоприемная область 1-2-1, «кольцевой» коммутатор 1-2-2 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-3 развертки. В состав телевизионной камеры входит также блок 1-3 механического сканирования сенсора, который, будучи кинематически связан с фотоприемником 1-2, осуществляет его механическое сканирование (с шагом в ширину строки) в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива 1-1.
Однострочный «кольцевой» сенсор 1-2 реализует при формировании видеосигнала метод координатной адресации. Рассмотрим его выполнение применительно к отдельно взятому пикселу 1-2-1 мишени, имеющего светочувствительную площадь 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 аналогового видеосигнала и АЦП 1-2-1-3.
Цифровой видеосигнал текущего пиксела с выхода АЦП 1-2-1-3 при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-2-1, управляемого с одного из выходов «кольцевого» мультиплексора 1-2-3, передается на «кольцевую» шину видео 1-2-2-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора. В интервале считывания информации всей строки то же самое формирование цифрового видеосигнала происходит для всех активных пикселов мишени «кольцевого» фотоприемника 1-2.
Как и в прототипе [1], плата видео в сервере 2 выполняет программным путем следующие операции:
- запись «кольцевого» видеосигнала последовательно строка за строкой в оперативную память сервера в автоматическом режиме;
- считывание «кольцевого» кадра из оперативной памяти при помощи n «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (1).
Цифровой видеосигнал текущего пиксела с выхода АЦП 1-2-1-3 при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-2-1, управляемого с одного из выходов «кольцевого» мультиплексора 1-2-3, передается на «кольцевую» шину видео 1-2-2-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора.
В интервале считывания информации в пределах всей строки то же самое формирование цифрового видеосигнала происходит для всех активных пикселов мишени «кольцевого» фотоприемника 1-2.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе [1], предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения).
В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 6. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места.
Светорегулирующая ячейка 1-4 предназначена для управляемого скачкообразного изменения облученности мишени сенсора 1-2 и может быть выполнена по технологии [3] на основе электрохромного прибора.
Светорегулирующая ячейка 1-4 (см. фиг. 4) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1-0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки.
max
min
max
min
Световая характеристика ячейки 6 (см. фиг. 5) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ (70%) до τ (1÷1,5%) составляет для ячейки величину τ/τ=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 В.
Важно отметить, что физическое быстродействие изменения коэффициента пропускания такой ячейки позволяет обеспечить управление параметром с частотой до 50 Гц.
Как показано на фиг. 1, ячейка 1-4 установлена в заднем отрезке объектива 1-1, но по соображениям конструкторского решения телевизионной камеры может быть установлена на его входе. К этому следует добавить, что при проектировании оптической схемы телевизионной камеры целесообразно рассмотреть вопрос о технологической возможности объединения (интегрирования) ячейки и объектива путем создания монолитного оптического блока.
Блок 1-3 механического сканирования сенсора предназначен для выполнения шагового перемещения фотоприемника 1-2 с интервалом по расстоянию, равным ширине одной «кольцевой» строки.
Когда фотоприемник 1-2 находится в статичном (неподвижном) состоянии, осуществляется зарядовое накопление в светочувствительных пикселах его «кольцевой» мишени 1-2-1. При этом коэффициент пропускания светорегулирующей ячейки 1-4 максимален, обеспечивая в фотодиодах сенсора 1-2 сбор информационных зарядов.
Когда интервал накопления заканчивается, коэффициент пропускания светорегулирующей ячейки 1-4 скачкообразно уменьшается до минимальной величины, изолируя мишень сенсора 1-2, и сохраняется таким в течение всего интервала перемещения фотоприемника 1-2 за один шаг.
Длительность накопления зарядов информационной строки определяется освещенностью контролируемого объекта и чувствительностью фотоприемника 1-2. Учитывая, что механическое сканирование сенсора осуществляется принципиально медленнее, чем электронное, телевизионная камера 1 может быть справедливо названа камерой малокадрового телевидения.
Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения (см. фиг. 1) работает следующим образом. Телевизионная камера 1 размещается на штативе (на фиг. 1 он не показан).
Панорамный объектив 1-1 формирует «кольцевое» оптическое контролируемой сцены, проецируя его через светорегулирующую ячейку 1-4 на мишень 1-2-1 фотоприемника телевизионной камеры.
Фотоприемник 1-2 (см. фиг. 2) реализует «кольцевую» однострочную развертку зарядового изображения на мишени и формированием на выходе сенсора 1-2 напряжения цифрового видеосигнала.
По интерфейсу (например, USB 2,0) в оперативную память сервера 2 будет транслироваться цифровой видеосигнал «кольцевой» строки фотоприемника 1-2 при пошаговом перемещении самого фотоприемника на ширину пиксела этой строки.
В результате в оперативную память сервера 2 будет занесена видеоинформация о «кольцевом» кадре, полученном при помощи «сканерной» записи составляющих его «кольцевых» строк.
г
Допустим, что, как и в прототипе [1], горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов.
Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Предположим, что полное число «кольцевых» строк в «кольцевом» кадре составляет m. Механическое сканирование сенсора определяет режим формирования «кольцевого» кадра как медленный, т.е. малокадровый.
Поэтому необходимое время записи всех m строк в сервере 2 составит несколько секунд, но вполне оправдано достигаемым результатом - поддержанием неизменного показателя угла места кругового обзора и оптимизацией фотоприемника для ведения такого обзора.
После завершения записи последней строки «кольцевого» кадра блок 1-3 механического сканирования сенсора по сигналу реверсирования, как и в прототипе [1], возвращается назад в исходное положение.
А далее в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры вещательного телевидения и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
Следовательно, цифровой видеосигнал записи для этого и каждого последующего «кольцевого» кадра изображения будет преобразован в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 7) операторам компьютеров 3.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2579002. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2016. - №9.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.
3. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.