ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ И/ИЛИ СЛОЖНОЙ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ
TELEVISION CAMERA FOR RECORDING IMAGES IN CONDITIONS OF LOW ILLUMINATION AND/OR LOW BRIGHTNESS OF VIEWED OBJECTS

Предлагаемое изобретение относится к телевизионным системам, телекамеры которых выполнены на основе преобразователя «свет - сигнал» в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС) и работают в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов. Эти условия означают, что в поле зрения телекамеры могут находиться одновременно сильно- и слабоосвещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему [1], содержащую на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и датчика телевизионного сигнала (ДТС), выход композитного видеосигнала которого является выходом «Видео» телекамеры; последовательно соединенных селектора синхроимпульсов, счетчика-делителя и блока предустановки и коммутации (БПК), управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом ДТС и подключен к прямому выходу RS-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов селектора, вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала ДТС, второй управляющий вход которого подключен к выходу БПК, причем входы «S» и «R» RS-триггера подключены к выходам блока сопряжения интерфейса и являются соответственно входом «Пуск» и входом «Стоп» телекамеры; на приемной стороне системы - персональный компьютер, аппаратный и программный продукт которого обеспечивают запись сигнала изображения в режиме «Снимок», причем интервал времени между двумя последовательными снимками установлен равным полупериоду следования импульсов с выхода счетчика делителя телекамеры, а между блоками передающей и приемной стороны системы - линию связи, выполняющую по трем жилам кабеля соединения сигналов «Пуск», «Стоп» и «Видео» телекамеры и компьютера.
Устройство телевизионной системы обеспечивает в телекамере для светлых и темных фрагментов сцены режим экспозиции матрицы ПЗС с «коротким» и «длинным» по длительности накоплением информационных зарядов путем формирования двух периодических последовательностей видеокадров с последующей записью двух снимков из этого видеоряда в память компьютера.
Недостаток прототипа - расплывание (блюминг) видеосигнала снимка с «длинным» накоплением из-за ограниченных возможностей матрицы ПЗС для устранения избыточных зарядов, возникающих в условиях регистрации больших перепадов освещенности и/или яркости сцены.
Задача изобретения - исключение блюминга видеосигнала в обоих снимках при априорно заданной области высокой облученности фотоприемника.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему, которая содержит на передающей стороне системы телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и ДТС, последовательно соединенных селектора синхроимпульсов, счетчика-делителя и БПК, управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом ДТС и подключен к прямому выходу RS-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу кадровых синхроимпульсов селектора, вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала ДТС, второй управляющий вход которого подключен к выходу БПК, причем входы «S» и «R» RS-триггера подключены к выходам блока сопряжения интерфейса и являются соответственно входом «Пуск» и входом «Стоп» телекамеры; на приемной стороне системы - персональный компьютер, аппаратный и программный продукт которого обеспечивают запись сигнала изображения в режиме «Снимок», причем интервал времени между двумя последовательными снимками установлен равным полупериоду следования импульсов с выхода счетчика делителя телекамеры, а между блоками передающей и приемной стороны системы -линию связи, выполняющую по трем жилам кабеля соединения сигналов «Пуск», «Стоп» и «Видео» телекамеры и компьютера, при этом в телекамеру введены формирователь сигналов «рамка» и «окошко» (ФСРО), видеосмеситель, выход которого является выходом «Видео» телекамеры, и соединенные между собой последовательно элемент «И», элемент «ИЛИ», преобразователь уровней (ПУ) и выполненная на основе электрохромного прибора светорегулирующая ячейка, которая расположена в заднем отрезке объектива, причем пространственное положение и геометрические размеры светорегулирующей ячейки соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для сигнала «окошко» ФСРО, выход которого является выходом сигнала «Окошко» телекамеры, управляющий вход ФСРО подключен к прямому выходу RS-триггера, первый синхронизирующий вход ФСРО - к выходу кадровых синхроимпульсов селектора, второй синхронизирующий вход ФСО - к выходу строчных синхроимпульсов селектора, выход сигнала «Рамка» ФСРО - к первому входу видеосмесителя, второй вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала ДТС, выход сигнала «Накопление» которого подключен к первому входу элемента «И», второй вход которого подключен к выходу счетчика-делителя, а второй вход элемента «ИЛИ» является входом «Перегрузка/Норма» телекамеры и подключен к соответствующему выходу блока сопряжения интерфейса, а в линию связи введены дополнительные две жилы кабеля для выполнения соединений выхода сигнала «Перегрузка/Норма» на компьютере с входом этого сигнала в телекамере и выхода сигнала «Окошко» телекамеры с входом этого сигнала на компьютере.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается следующими признаками:
- наличием в ее телекамере новых блоков, в том числе: формирователя сигналов «рамка» и «окошко» (ФСРО), видеосмесителя, элемента «И», элемента «ИЛИ», преобразователя уровней (ПУ) и светорегулирующей ячейки;
- формой выполнения светорегулирующей ячейки в части ее геометрических размеров;
- пространственным положением светорегулирующей ячейки относительно объектива;
- наличием новых связей между новыми блоками телекамеры и новых связей между новыми и остальными блоками;
- двумя дополнительными жилами кабеля в линии связи.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении для снимка с «длинным» накоплением в «окне» кадра - априорно заданной в пространстве области сверхвысокой (предельной) облученности на фотомишени матрицы ПЗС гарантируется неискаженный уровень зарядового рельефа для этой площади. Одновременно при выполнении этого снимка на остальной площади фотомишени исключено воздействие предельной облученности на сам процесс экспонирования.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной системы; на фиг.2 - эпюры сигналов, поясняющих формирование импульсов управления для светорегулирующей ячейки телекамеры; на фиг.3 - временная диаграмма, поясняющая работу телевизионной системы; на фиг.4 и 5 - соответственно конструкция и типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки.
Заявляемая телевизионная система (см. фиг.1) содержит на передающей стороне телекамеру 1, на приемной стороне - компьютер 2, а между ними - линию связи 3, при этом телекамера 1 включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1-1, светорегулирующую ячейку 1-12 и ДТС 1-2; последовательно соединенные селектор 1-4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 1-5 и БПК 1-6; последовательно соединенные элемент «И» 1-9, элемент «ИЛИ» 1-10 и ПУ 1-11, выход которого подключен к входу управления ячейки 1-12; последовательно соединенные по сигналу «Рамка» ФСРО 1-8 и видеосмеситель 1-12, второй вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала ДТС 1-2, выход сигнала «Накопление» которого подключен к первому входу элемента «И» 1-9, второй вход которого подключен к выходу счетчика-делителя 1-5, а второй вход элемента «ИЛИ» 1-10 является входом «Перегрузка/Норма» телекамеры; вход «S» и вход «R» RS-триггера 1-3 являются соответственно входом «Пуск» и входом «Стоп» телекамеры, а все три входа телекамеры 1 подключены через блок 1-7 сопряжения интерфейса к линии связи 3; выход композитного видеосигнала ДТС 1-2 подключен к входу селектора 1-4, выход кадровых синхроимпульсов (КСИ) которого подключен соответственно к первому синхронизирующему входу ФСРО 1-8 и к тактовому входу RS-триггера 1-3, выход строчных синхроимпульсов (ССИ) селектора 1-4 подключен ко второму синхронизирующему входу ФСРО 1-8; выход видеосмесителя 1-12 является выходом «Видео» телекамеры, а выход сигнала «Окошко» ФСРО 1-8 -выходом «Окошко» телекамеры, управляющий вход ФСРО 1-8 подключен к прямому выходу RS-триггера 1-3 и объединен соответственно с управляющим входом БПК 1-6 и с первым управляющим входом ДТС 1-2, второй управляющий вход которого подключен к выходу БПК 1-6, при этом по жилам кабеля линии связи 3 осуществляется соединение выхода «Видео» и выхода «Окошко» телекамеры 1 с соответствующими входами на компьютере 2, а также выходов «Перегрузка/Норма», «Пуск» и «Стоп» на компьютере с соответствующими входами в телекамере.
Светорегулирующая ячейка 1-12 предназначена для управляемого скачкообразного изменения облученности фотомишени матрицы ПЗС и может быть выполнена по технологии [2] на основе электрохромного прибора.
Ячейка 1-12 (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 1-12 (см. фиг.5) определяется свойствами электрохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от τ (70%) до τ (1÷1,5%) составляет для большинства ячеек величину τ/τ=70÷150 при подаче на выводы постоянного напряжения U, величина которого составляет около 1,2 B. Важно отметить, что физическое быстродействие изменения коэффициента пропускания такой ячейки позволяет обеспечить управление параметром с частотой 50 Гц.
В предлагаемом решении пространственное положение и геометрические размеры ячейки соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для сигнала «окошко».
Как показано на фиг.1, ячейка 1-12 установлена в заднем отрезке объектива 1-1, но по соображениям конструкторского решения телекамеры может быть установлена на его входе. К этому следует добавить, что при проектировании оптической схемы телекамеры целесообразно рассмотреть вопрос о технологической возможности объединения (интегрирования) ячейки и объектива путем создания монолитного оптического блока.
Вводимые в устройство телекамеры элемент «И» 1-9 и элемент «ИЛИ» 1-10 являются логическими элементами однозначного понимания.
1
2
Преобразователь уровней ПУ 1-11 предназначен для преобразования уровней логических сигналов с выхода элемента «ИЛИ» 1-10 в уровни сигналов (U, U), необходимые для управления светопропусканием ячейки 1-12.
ФСРО 1-8 предназначен для получения сигналов «Рамка» и «Окошко» на одноименных выходах этого блока.
Сигнал «Окошко» создает в пределах растра телекамеры «окно», в области которого предполагается наличие экстремальной облученности.
Сигнал «Рамка» позволяет оператору компьютера контролировать пространственное положение этого «окна».
Необходимо отметить, что сигнал «Рамка» поступает на одноименный выход только тогда, когда на управляющем входе ФСРО 1-8 присутствует логическая «1».
Для максимального числа применений можно рекомендовать, чтобы «окно» занимало центральный фрагмент растра, но его форма может быть произвольной, например квадрат, или прямоугольник, или круг.
Естественно, что обязательным условием такого решения является необходимость адекватного изменения геометрической формы и геометрических размеров светорегулирующей ячейки 1-11.
Формирование сигналов «Окошко» и «Рамка» рекомендуется выполнить цифровым методом, например, по функциональным схемам, предложенным в отечественной работе [3].
Предположим, что это «окно» - прямоугольник с форматом (A×B), где А и В - соответственно его размеры в растре по горизонтали и вертикали.
Тогда размеры «окна» связаны с размерами растра следующими соотношениями: А=Х/(2…3); В=Y/(2…3), где X и Y - размеры растра по горизонтали и вертикали соответственно.
Видеосмеситель 1-12 предназначен для выполнения замеса в сигнал изображения наблюдаемой телекамерой сцены сигнала «Рамка».
Объектив 1-1, ДТС 1-2, RS-триггер 1-3, селектор 1-4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 1-5, БПК 1-6 и блок 1-7 сопряжения интерфейса не отличаются от названных блоков прототипа.
Как и в прототипе, в качестве ДТС 1-2 может быть использована предлагаемая российской фирмой «ЭВС» (г.Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746 [4], которая выполнена на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали ½ дюйма. Для датчика VSI-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы CXD2463R. Если необходимо в телекамере 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 датчика 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. Если 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 вывода
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
В предлагаемом решении, как и в прототипе, используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111» - максимальному времени в 10000 мкс. Точно так же, как и в прототипе, предустановка этих кодов предусмотрена в БПК 1-6.
Телевизионная система (см. фиг.1) работает следующим образом. Дистанционное управление работой телекамеры 1 осуществляется с компьютера 2 по линии связи 3.
Наименования формируемых команд управления и характеристика транслируемых через интерфейс 1-7 сигналов представлены в табл.2.
Таблица 2
Наименование команды
Сигнал
«Норма»
Логическая «1»
«Пуск»
Кратковременная логическая «1»
«Стоп»
Кратковременная логическая «1»
«Перегрузка»
Логический «0»
Отметим, что целесообразно осуществлять подачу указанных команд через унифицированный интерфейс, например RS-232.
Добавим, что на экране монитора компьютера 2 воспроизводится видеосигнал, формируемый телекамерой 1, что легко обеспечивается, например, если используется компьютер с операционной системой Windows ХР, в котором установлен продукт серии AVerTV [6].
2
В исходном состоянии с компьютера 2 по линии связи 3 на второй вход элемента «ИЛИ» 1-10 подается сигнал логической «1» в соответствии с командой «Норма» (см. табл.2). Следовательно, на выходе элемента «ИЛИ» 1-10 устанавливается тоже логическая «1». Поэтому на выходе ПУ 1-11 формируется высокий уровень напряжения U (см. пунктир на фиг.2д), который обеспечивает максимальное и бесперебойное светопропускание ячейки 1-12.
В исходном состоянии на входе «S» и на входе «R» RS-триггера 1-3 телекамеры присутствует низкий логический уровень. Поэтому сигнал логического «0» устанавливается на прямом выходе RS-триггера 1-3, на первом управляющем входе ДТС 1-2, на управляющем входе БПК 1-6 и на управляющем входе ФСРО 1-8.
В телекамере действует режим автоматической регулировки времени накопления (АРВН), благодаря которому в фотоприемнике ДТС 1-2 по сильноосвещенному или яркому сюжету будет установлена величина текущей экспозиции. К сожалению, для передаваемых в одном телевизионном поле темных и слабоосвещенных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности телекамеры, а следовательно, и к искажениям соответствующих фрагментов изображения регистрируемого в компьютере снимка записи.
Пусть на вход «Пуск» телекамеры в соответствии с командой аналогичного наименования подается импульс положительной полярности (см. табл.2).
Для правильного понимания всех процессов заявляемого режима работы позволим себе повториться, изложив известные подробности режима прототипа.
В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 1-3 (см. фиг.1) высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («CLC») входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 1-3 устанавливается сигнал логической «1». Поэтому схема АРВН в датчике 1-2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу БПК 1-6. При этом в ФСРО 1-8 снимается блокировка сигнала «Рамка», а этот сигнал поступает на первый вход видеосмесителя 1-12.
∂
к
Необходимо отметить, что независимо от коммутации на входе «Пуск» на вход счетчика-делителя 1-5 поступают КСИ - кадровые синхроимпульсы (см. фиг.2а), а на его выходе продолжают формироваться импульсы с периодом Т, равным 2Т (см. фиг.2б).
н1
При подключении второго управляющего входа ДТС 1-2 к выходу коммутатора БПК 1-6 на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 1-5 устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая «короткое» накопление зарядов («short charge») в фотоприемнике. По длительности это время кадрового накопления составляет T=10 мкс (см. табл.1).
н2
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 «длинное» накопление зарядов («long charge») в матрице ПЗС, продолжительность которого Т=10000 мкс (см. табл.1).
Отметим, что в этом режиме накопления фотоприемника с ДТС 1-2 на второй вход элемента «И» 1-9 будет поступать новый сигнал «Накопление», показанный на фиг.2в.
∂
Оператор на экране монитора компьютера наблюдает два изображения, сменяющиеся с интервалом Т/2. По времени этот интервал составляет 5…10 секунд. Одно из изображений соответствует последовательности видеокадров, сформированных телекамерой при времени накопления 10 мкс, другое - последовательности видеокадров при времени накопления 10000 мкс. Отметим, что на обеих последовательностях данного видеоряда присутствует изображение и электронной «рамки».
Допустим, что в процессе работы телекамеры в режиме прототипа на изображении появляется блюминг. Тогда необходимо, используя электронную «рамку», провести пространственную ориентацию телекамеры так, чтобы сильноосвещенные или яркие объекты воспринимались в центральной части ее угла зрения, т.е. в соответствии с положением в растре сигнала «Окошко», а с компьютера подать команду «Перегрузка» - сигнал логического «0» (см. табл.2).
В соответствии с этой командой низкий логический уровень поступает на второй вход элемента «ИЛИ» 1-10. Поэтому на вход ПУ 1-11 проходит сигнал с выхода элемента «И» 1-9, формируя новый сигнал управления ячейкой 1-12 (см. сплошные линии на фиг.2д).
н1
н2
В результате обеспечивается полное светопропускание ячейки 1-12 только во время Т, т.е. в течение накопления «short charge» кадра, а следовательно, отсутствие светопропускания ячейки во время Т, когда на фотомишени ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра -«long charge».
На выходе «Видео» ДТС 1-2 формируется новый видеосигнал (см. фиг.3г), который обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. в матрице ПЗС оптимизировано накопление зарядов для светлых и темных фрагментов сцены, а по сравнению с прототипом исключен блюминг видеосигнала в экстремальных условиях сложной освещенности и/или сложной яркости.
∂
Далее, как и в прототипе, выбрав в компьютерной программе закладку «Снимки» и задав интервал времени между двумя последовательными снимками, равным Т/2, оператор выполняет запись этих снимков и сохранение в папке компьютерной памяти. При этом в условиях избыточной облученности по сравнению с прототипом в снимке с «длинным» накоплением будут отсутствовать прежние искажения из-за устранения блюминга видеосигнала.
По видеосигналам записи первого и второго снимков, а также сигнала «Окошко» в компьютере аппаратно-программными средствами может быть сформирован телевизионный сигнал комбинированного изображения.
Если условия экстремального облучения объектов для телекамеры прекратятся, то следует подать команду «Норма» - сигнал логической «1» (см. табл.2). Тогда будет восстановлено бесперебойное светопропускание ячейки 1-12 и режим прототипа для видеосигнала телекамеры.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2364052 РФ. МПК H04N 5/225. Телевизионная система для регистрации изображений в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов наблюдения / В.М.Смелков // БИ - 2009. - №22.
2. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». Новгород (Великий Новгород), 1979.
3. Гуглин И.Н. Телевизионные игровые автоматы и тренажеры. - М.: «Радио и связь», 1982.
4. Телевизионные камеры фирмы «ЭВС», каталог, 2005 г.
5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В. Якубовский, Л.И. Ниссельсон, В.И. Кулешова и др. - М.: Радио и связь, 1990.
6. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV 307 от компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. (Тайвань), 2006.