СПОСОБ КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕГИСТРАЦИИ СИГНАЛА ИЗОБРАЖЕНИЯ ИНТЕРФЕРОГРАММ
METHOD FOR COMPUTER-AIDED RECORDING OF INTERFEROGRAM IMAGE SIGNAL

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах анализа интерферограмм, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования сигнала изображения интерферограмм [1], заключающийся в том, что световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта разделяют по двум направлениям и проецируют одновременно на первую и вторую мишени (фотоприемные секции) специализированной матрицы ПЗС, причем освещенность первой мишени по отношению к освещенности второй мишени устанавливают с коэффициентом К, выбираемым из неравенства 0<К<1, накапливают информационные заряды на мишенях матрицы ПЗС с периодом кадров (полукадров), в интервале обратного хода кадровой развертки переносят информационные заряды из ячеек второй фотоприемной секции в ячейки секции памяти, а информационные заряды из ячеек первой фотоприемной секции - в освободившиеся ячейки второй фотоприемной секции, построчно переносят информационные заряды из секции памяти в выходной регистр в интервале обратного хода строчной развертки, а в интервале прямого хода строчной развертки поэлементно переносят информационные заряды из выходного регистра в выходной блок матрицы ПЗС с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнала.
В прототипе решения непосредственно в фотоприемнике - матрице ПЗС с организацией «кадровый перенос», оперируя сигналами изображения в зарядовой форме, по методу рекурсивной фильтрации видеосигнала реализуют усреднение случайных колебаний оптического изображения объекта, вызванных, например, вибрациями. Интервал накопления задержанной составляющей выходного сигнала изображения однозвенного рекурсивного фильтра фиксирован и равен интервалу накопления прямой составляющей видеосигнала на выходе рекурсивного фильтра. Регулировка же степени фильтрации достигается за счет управления размахом этой составляющей сигнала с коэффициентом К, который определяется коэффициентом ослабления освещенности для первой мишени матрицы ПЗС.
Недостатком прототипа [1] является необходимость разделения входного светового потока по двум направлениям, что ограничивает точность выполнения самой операции рекурсивной фильтрации из-за ошибки оптического рассовмещения смежных кадров при накоплении информационных зарядов.
Задача изобретения - повышение точности рекурсивной фильтрации путем отказа от светоделения с обеспечением регулировки степени фильтрации за счет управления временем накопления задержанной составляющей выходного видеосигнала.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм заключающемся в том, что в телекамере световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта проецируют на единственную мишень типовой матрицы ПЗС, согласно предлагаемому изобретению принудительно реализуют в фотоприемнике «длинное» и «короткое» накопление информационных зарядов в смежных кадрах (полукадрах), формируют на выходе фотоприемника мультиплексный сигнал изображения, на выходе «Видео» телекамеры формируют мультиплексный телевизионный сигнал, который транслируют на вход «Видео» компьютера, записывают видеосигнал в память компьютера, осуществляют в компьютере демультиплексирование видеосигнала путем выполнения задержки входного мультиплексного телевизионного сигнала на кадр (полукадр) и реализации взвешенного суммирования прямого и задержанного видеосигналов за счет дистанционного выбора с компьютера для этой задержанной составляющей видеосигнала оптимальной длительности «короткой» экспозиции матрицы ПЗС в телекамере.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается условием осуществления признаков (действий), а именно:
- принудительной реализацией в матрице ПЗС «длинного» и «короткого» накопления информационных зарядов в смежных кадрах (полукадрах);
- формированием на выходе фотоприемника мультиплексного видеосигнала, а на выходе датчика телевизионного сигнала (телекамеры) - мультиплексного телевизионного сигнала;
- записью в память компьютера видеосигнала, формируемого телекамерой;
- выполнением в компьютере операции демультиплексирования видеосигнала, которая включает задержку входного мультиплексного телевизионного сигнала и взвешенное суммирование прямого и задержанного видеосигналов;
- реализацией выбора длительности «короткой» экспозиции фотоприемника в телекамере дистанционно с компьютера.
В результате реализации таких действий обеспечивается не только повышенная точность выполнения операции рекурсивной фильтрации видеосигнала, но и достигается крайне желательное удобство выполнения регулировочных работ по оптимизации видеосигнала для регистрируемых интерферограмм, а также упрощение конструкции самой телекамеры.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.
По техническому результату и методу его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 приведена функциональная схема устройства платы видео, устанавливаемой, например, в свободный PCI-слот на материнской плате стационарного компьютера; на фиг.3 - пример выполнения электрической схемы коммутатора в составе телекамеры; на фиг.4 приведена иллюстрация процесса антиблюмингового стока в матрице ПЗС.
Устройство, реализующее предлагаемый способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм, см. фиг.1, содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива 1-1 и датчика 1-2 телевизионного сигнала, а также RS-триггера 1-3, селектора 1-4 синхроимпульсов, счетчика-делителя 1-5 и коммутатора 1-6, на приемной стороне - компьютер в позиции 2, а между сторонами - линию связи в позиции 3, причем выход «Видео» датчика 1-2, являющийся выходом «Видео» телекамеры, подключен к входу селектора 1-4 синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера 1-3 и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя 1-5 и коммутатора 1-6, первый управляющий вход которого, соединенный с первым управляющим входом датчика 1-2, подключен к прямому выходу RS-триггера 1-3; второй управляющий вход датчика 1-2 подключен к выходу коммутатора 1-6, второй управляющий вход которого, а также S-вход и R-вход RS-триггера 1-3 являются входами «Управление» телекамеры, которые через жилы кабеля линии связи 3 подключены к соответствующим выходам сигналов управления на компьютере 2; выход мультиплексного видеосигнала с выхода «Видео» телекамеры транслируется по жиле кабеля линии связи 3 на вход «Видео» компьютера 2.
Как и в прототипе [1], в качестве датчика 1-2 может быть использована предлагаемая российской фирмой «ЭВС» (г.Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746 [2], которая выполнена на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали ½ дюйма.
Матрица ПЗС имеет организацию «строчный перенос», а ее фотоприемная секция снабжена электронным затвором, выполняющим электронную регулировку чувствительности путем управления временем накопления зарядовых носителей в течение кадрового периода. По сути, электронный затвор является затвором антиблюминговой (стоковой) области GA, технологически выполненной в фотоприемной секции матрицы ПЗС, как показано на фиг.4.
Если на затвор GA подается высокий уровень импульсного смещения, потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на фотомишени исключается процесс накопления фотоэлектронов. Носители зарядов, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами, например под шинами Ф2Н при трехфазной организации переноса, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг.4б).
Когда на затвор GA матрицы ПЗС подается нижний уровень импульсного смещения, закрывая его, реализуется режим накопления с сокращенным внутри кадра временем сбора носителей (см. фиг.4а).
Особенностью датчика 1-2 в предлагаемом решении является наличие первого и второго управляющих входов.
Для прибора VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R. Если необходимо включить автоматическую регулировку времени накопления (АРВН), нужно подать на этот вывод логический «0», для переключения в режим ручного управления временем накопления - логическую «1» в уровнях ТТЛ. Второй управляющий вход прибора VSI-746 образуют выводы 11, 12, 13 микросхемы CXD2463R. Для работы в режиме АРВН эти выводы должны «висеть в воздухе», т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей поданы соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3-3,5 Вольт.
Когда необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 10 мс, то на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в приведенной ниже табл.1.
Таблица 1
Номер выво-да
Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс
10,0
100,0
200,0
500,0
1000,0
2000,0
4000,0
10000,0
Кодовая комбинация
11
0
1
0
1
0
1
0
1
13
0
0
1
1
0
0
1
1
12
0
0
0
0
1
1
1
1
Отметим, что комбинация «000» определяет самую короткую длительность накопления, а комбинация «111» - самую длинную. Установка всех этих кодовых комбинаций выполняется в коммутаторе 1-6.
Возможная электрическая схема блока 1-6 (см. фиг.3) содержит первый элемент «И» 1-6-1, второй элемент «И» 1-6-2, третий элемент «И» 1-6-3, первый элемент «ИЛИ» 1-6-4, второй элемент «ИЛИ» 1-6-5, третий элемент «ИЛИ» 1-6-6, первый коммутатор 1-6-7, второй коммутатор 1-6-8 и третий коммутатор 1-6-9. Необходимая кодовая комбинация, определяющая длительность экспозиции фотоприемника телекамеры 1, устанавливается на компьютере 2 и транслируется в ТТЛ-уровнях по линии связи 3 на вторые входы элементов «ИЛИ» 1-6-4, 1-6-5 и 1-6-6. Этот же двоичный код на выходе коммутаторов 1-6-7, 1-6-8 и 1-6-9 является выходом для блока 1-6. Отметим, что в исходном (начальном) состоянии блока 1-6 на его входе кода присутствует логическая комбинация «000».
Если на входы разрешения коммутаторов 1-6-7, 1-6-8 и 1-6-9 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» 1-6-1, 1-6-2, 1-6-3 и кодовой комбинации на входе, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
RS-триггер 1-3 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Селектор 1-4 синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе сигнала синхронизации приемника (ССП) с последующим формированием на выходе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ).
Счетчик-делитель 1-5 предназначен для выполнения деления частоты импульсов КСИ на два (с 50 Гц до 25 Гц) при прогрессивной развертке и соответственно на четыре (с 50 Гц до 12,5 Гц) при чересстрочной развертке видеосигнала.
Устройство на фиг.2 является функциональной схемой платы видео, устанавливаемой в свободный PCI-слот на материнской плате стационарного компьютера или в mini PCI-слот ноутбука
При разработке платы видео должно быть выполнено главное и обязательное условие, а именно: она должна быть согласована по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера.
На вход «Видео» платы поступает аналоговый мультиплексный видеосигнал с телекамеры, а на выходе «Видео» платы формируется рекурсивно отфильтрованный цифровой видеосигнал, предназначенный для записи на жесткий диск компьютера сигнала изображения интероферограмм.
В нашем примере на плате видео при непосредственном участии компонентов материнской платы выполняются следующие сигнальные операции:
- Аналого-цифровое преобразование (АЦП) входного видеосигнала;
- Задержка цифрового видеосигнала на 20 мс при организации в телекамере прогрессивной развертки с частотой кадров 50 Гц или задержка на 40 мс, если действует стандартная чересстрочная развертка;
- Взвешенное суммирование прямого и задержанного видеосигналов;
- Формирование для телекамеры управляющего трехразрядного двоичного сигнала «Код экспозиции»;
- Формирование для телекамеры управляющих однократных импульсов «Пуск» и «Стоп». Все команды для управления телекамерой и для реализации взвешенного суммирования видеосигналов выполняются с клавиатуры компьютера и/или с компьютерной мыши.
Необходимо отметить, что операция задержки цифрового видеосигнала и операция взвешенного суммирования прямого и задержанного цифровых видеосигналов выполняются на плате видео при условии, когда с компьютера на телекамеру подана команда «Пуск». В исходном состоянии или при возврате телекамеры в исходное состояние командой «Стоп» с компьютера операции задержки и суммирования на плате видео блокируются, а выходным сигналом «Видео» платы становится видеосигнал телекамеры, получивший только аналого-цифровое преобразование.
Способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм осуществляется следующим образом. Воспользуемся структурной схемой устройства, изображенной на фиг.1.
Предположим, что расположенная в поле зрения телекамеры 1 интерфенционная картина объекта находится в идеально статическом положении, не испытывая случайных колебаний за счет вибрации и других регулярных механических воздействий низкой частоты. При этом допустим, что внешнее управление для телекамеры отсутствует, т.е. на всех входах «Управление» присутствуют логические «0». Сама же телекамера работает в режиме прогрессивной развертки, а освещенность объекта контроля позволяет установить время накопления матрицы ПЗС, обеспечивающее получение видеосигнала с максимальным отношением сигнал/шум.
n
∂1
n
Тогда автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) фотоприемника в датчике 1-2 установит максимальную величину текущей экспозиции, т.е. длительность накопления зарядов составит 10000 мкс. При этом селектор 1-4 синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые импульсы с периодом T, а счетчик-делитель 1-5 - выполняет деление входной частоты на два, формируя на выходе меандр с периодом T/=2T.
Пусть на объекте контроля возникает низкочастотное механическое воздействие. Тогда в формируемом видеосигнале неизбежно появляется смаз, а в наблюдаемом с экрана монитора компьютера 2 изображении заметно ухудшается его качество за счет снижения отношения сигнал/шум.
Для выполнения задачи изобретения на S-вход RS-триггера 1-3 телекамеры с компьютера подается импульс положительной полярности. В момент совпадения высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 1-3 устанавливается сигнал логической «1».
Последний подается на первый управляющий вход блока 1-6 и на первый управляющий вход датчика 1-2. Поэтому схема АРВН в датчике 1-2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу блока 1-6.
∂
Отметим, что независимо от этой коммутации селектор 1-4 синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые импульсы, а на выходе счетчика-делителя 1-5 формируются импульсы с периодом T.
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>T</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
При подключении второго управляющего входа датчика 1-2 к выходу блока 1-6 на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 1-5 устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприемнике, равной 10 мкс -
(см. табл.1). Когда же с выхода блока 1-5 будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика 1-2 установится логическая комбинация «111», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10000 мкс -
(см. табл.1).
Благодаря этому датчик 1-2, а, следовательно, и телекамера 1, формирует мультиплексный сигнал изображения, смежные кадры которого являются «длинными» и «короткими» видеосигналами в соответствии с режимом накопления зарядов в фотоприемнике.
Этот мультиплексный видеосигнал поступает по линии связи 3 на вход «Видео» платы видео, установленной в разъем расширения на материнской плате компьютера 2. Т.к. блокировка снята, плата видео реализует возложенные на нее функции АЦП, задержки и взвешенного суммирования.
<mrow><msubsup><mi>Т</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
По сравнению с прототипом взвешенное суммирование видеосигналов в предлагаемом решении осуществляется не за счет уменьшения амплитуды задержанной составляющей сигнала изображения, накопленного в течение кадра (полукадра), а путем выбора для этой составляющей укороченной длительности экспонирования фотозарядов (в нашем примере, равной
).
n
∂2
n
n
<mrow><msubsup><mi>Т</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>Т</mi><mi>н</mi><mrow><mi>м</mi><mi>и</mi><mi>н</mi></mrow></msubsup></mrow>
Предположим, что телекамера работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на выходе селектора 1-4 синхроимпульсов формируются импульсы с периодом полукадров T. Счетчик-делитель 1-5 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять: T=4T. В течение действия высокого уровня этого меандра в датчике 1-2 будет выполняться не один, а два цикла экспонирования с  «длинным» зарядовым накоплением по
для каждого. Аналогично, в течение действия низкого уровня нового меандра в датчике 1-2 будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по
. В результате на плате видео выполняется цифровая задержка видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два T.
В остальном работа устройства, реализующего заявленный способ, не будет отличаться от его функционирования в режиме прогрессивной развертки.
При необходимости возвращения телекамеры в исходный режим работы следует подать с компьютера импульс положительной полярности на вход R-вход RS-триггера 1-3. Тогда состояние триггера изменится, на прямом его выходе установится сигнал логического «0», а в датчике 1-2 будет восстановлено функционирование схемы АРВН.
Одновременно для платы видео в компьютере будет восстановлено состояние блокировки функций задержки видеосигнала и взвешенного суммирования. Поэтому на выход «Видео» этой платы будет передаваться только оцифрованный типовой телевизионный сигнал датчика 1-2.
По сравнению с прототипом [1], предлагаемый способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм исключает необходимость разделения входного светового потока по двум направлениям с целью их проецирования на две фотомишени специализированной матрицы ПЗС. Поэтому принципиально устраняется возможная неточность рекурсивной фильтрации видеосигнала из-за ошибки оптического рассовмещения смежных кадров при накоплении информационных зарядов. Одновременно обеспечивается улучшение труда оператора и упрощение конструкции телекамеры.
В настоящее время все блоки структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2068624 РФ. МПК H04N 5/225, 7/18. Устройство формирования сигнала изображения интерферограмм / В.М.Смелков // Б.И. - 1996. - №30.
2. Телевизионные камеры фирмы «ЭВС», каталог, 2005 г.
3. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: «Радио и связь», 1990.
4. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.