ТЕПЛОВИЗИОННЫЙ КАНАЛ

Полезная модель относится к области оптико-электронного приборостроения и может быть использовано в тепловизионных устройствах, имеющих в качестве детектора инфракрасного излучения матричное фотоприемное устройство.
Известен тепловизионный канал (Волков В.Г., Ковалев А.В., Федчишин В.Г. Тепловизионные приборы нового поколения / Специальная техника, 2001, №6, с. 16-21), содержащий инфракрасный объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство (ФПУ), выходы которого через предусилители подключены к соответствующим входам аналогового мультиплексора, выход которого соединен с последовательно включенными аналоговым корректором разброса характеристик элементов матричного ФПУ, аналого-цифровым преобразователем (АЦП), цифровым корректором разброса характеристик элементов матричного ФПУ, корректором дефектных элементов матричного ФПУ и видеопроцессором, осуществляющим формирование изображения, выход которого подключен к блоку вывода видеосигнала, а также тактовый генератор (блок управления матричного ФПУ), выходы которого подключены к управляющим входам матричного ФПУ, аналогового корректора разброса характеристик элементов матричного ФПУ, аналого-цифрового преобразователя и корректора дефектных элементов матричного ФПУ.
Недостатком данного устройства является длительное время обработки видеосигналов, связанное с последовательным проведением операций аналоговой и цифровой коррекции разброса характеристик элементов матричного ФПУ, коррекции дефектных элементов матричного ФПУ и передачи цифровых данных в видеопроцессор, а также с необходимостью формирования сигнала управления цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП) аналогового корректора разброса характеристик элементов матричного ФПУ.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности и достигаемому эффекту является тепловизионный канал (см. патент России №2387092, м. кл. H04N 5/33, опубл. 20.12.2010), выбранный в качестве прототипа, содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное ФПУ, предварительные усилители, подключенные входами к выходам ФПУ, а выходами к соответствующим входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выходы которого подключены к соответствующим входам мультиплексора, выход мультиплексора соединен с входом видеопроцессора, первый выход которого подключен к блоку вывода видеосигнала, управляющий выход видеопроцессора подключен к управляющему входу мультиплексора и входу блока управления, выход которого соединен с управляющим входом матричного ФПУ.
Излучение наблюдаемой сцены с помощью инфракрасного объектива фокусируется на чувствительные элементы матричного ФПУ. Аналоговые видеосигналы с выходов матричного ФПУ через предварительные усилители поступают на АЦП и далее, в цифровом виде, на входы мультиплексора. Мультиплексор формирует последовательную цифровую выборку данных, соответствующую кадру тепловизионного изображения, и направляет ее на вход видеопроцессора. Видеопроцессор последовательно производит операции обработки массива цифровых данных: коррекцию разброса характеристик элементов ФПУ; коррекцию дефектных элементов ФПУ; формирование стандартного цифрового видеокадра; автоматическую или ручную регулировку яркости и контраста тепловизионного изображения; наложение служебной информации. Обработанная выборка поступает на вход блока вывода видеосигнала.
Предварительно в видеопроцессоре с помощью программных средств формируется три независимых параллельных потока приема, обработки и передачи данных, которые тактируются управляющими импульсами с частотой, равной частоте следования кадров. Таким образом, в видеопроцессоре одновременно производится обработка текущего, ввод последующего и вывод предыдущего кадров тепловизионного изображения.
Недостатком тепловизионного канала является то, что общее время проведения последовательных операций обработки массива цифровых данных, ограниченное длительностью одного кадра, зависит в основном от производительности видеопроцессора. При увеличении формата или частоты кадров тепловизионного изображения, при усложнении алгоритмов обработки цифровых данных вычислительных возможностей видеопроцессора может оказаться недостаточно. Применение более быстродействующего процессора, например многоядерного, приводит к росту потребляемой мощности, что порождает необходимость использования источников питания повышенной мощности и обеспечения отвода выделяемого тепла. Все это, в конечном итоге, влечет за собой усложнение конструкции и увеличение габаритных размеров устройства.
Кроме того, в данном тепловизионном канале имеется задержка прохождения видеосигнала, равная по длительности двум кадрам тепловизионного изображения, в течение которой происходит прием и обработка массива цифровых видеоданных.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение скорости обработки цифровых видеоданных без существенного увеличения потребляемой мощности и усложнения конструкции устройства, а также снижение задержки прохождения видеосигнала.
Это достигается тем, что в тепловизионный канал, содержащий объектив, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство, выходами подключенное к входам многоканального предварительного усилителя, аналого-цифровой преобразователь, мультиплексор, блок управления, выход которого подключен к управляющему входу фотоприемного устройства, видеопроцессор, управляющим выходом подключеный к входу блока управления и управляющему входу мультиплексора, блок вывода видеосигнала, выход которого является выходом тепловизионного канала, дополнительно введен блок аппаратной обработки сигналов, включенный между выходом мультиплексора и входом блока вывода видеосигнала и подключенный портом ввода-вывода данных к соответствующему порту видеопроцессора, а управляющим входом к управляющему выходу видеопроцессора, при этом блок аппаратной обработки сигналов реализован с возможностью одновременного выполнения как минимум двух различных вычислительных операций цифровой обработки данных.
На фиг. 1 показана функциональная схема тепловизионного канала.
На фиг. 2 показана функциональная схема блока аппаратной обработки сигналов.
Тепловизионный канал содержит объектив 1, в фокальной плоскости которого расположено матричное фотоприемное устройство 2, выходами подключенное к входам многоканального предварительного усилителя 3, аналого-цифровой преобразователь 4, мультиплексор 5, блок управления 8, выход которого подключен к управляющему входу фотоприемного устройства 2, видеопроцессор 6, управляющим выходом подключеный к входу блока управления 8 и управляющему входу мультиплексора 5, блок вывода видеосигнала 7, выход которого является выходом тепловизионного канала, блок аппаратной обработки сигналов 9, включенный между выходом мультиплексора 5 и входом блока вывода видеосигнала 7 и подключенный портом ввода-вывода данных к соответствующему порту видеопроцессора 6, а управляющим входом к управляющему выходу видеопроцессора 6.
Блок аппаратной обработки сигналов 9, реализованный с возможностью одновременного выполнения как минимум двух различных вычислительных операций алгоритма цифровой обработки данных, содержит ОЗУ ввода данных 10, вход которого является входом блока аппаратной обработки сигналов 9, а выход подключен к порту ввода-вывода данных 11, ОЗУ вывода данных 12, вход которого подключен к порту ввода-вывода данных 11, а выход к первому входу вычислительного устройства 13, ОЗУ предварительных данных 14, вход которого подключен к порту ввода-вывода данных 11, а выходы к соответствующим входам вычислительного устройства 13, выход которого является выходом блока аппаратной обработки сигналов 9, а также устройство синхронизации 15, вход которого является управляющим входом блока аппаратной обработки сигналов 9, а выход подключен к управляющему входу порта ввода-вывода данных 11.
Тепловизионное изображение наблюдаемого пространства, формируемое входным объективом 1, проецируется на матрицу чувствительных элементов ФПУ 2, преобразующую поток излучения в электрический сигнал. Блок управления 8, по команде от видеопроцессора 6, периодически, с частотой кадров запускает в ФПУ 2 процесс накопления видеосигнала. После завершения процесса накопления аналоговый видеосигнал через многоканальный предварительный усилитель 3 поступает на вход АЦП 4, где преобразуется в цифровую форму. Далее, мультиплексор 5, в порядке следования видеосигнала с ФПУ 2, формирует последовательную цифровую выборку данных. Выборка поступает на ОЗУ ввода данных 10 блока аппаратной обработки сигналов 9. По мере заполнения объема памяти, видеопроцессор 6 периодически производит считывание видеоданных через порт ввода-вывода данных 11 и формирует в своем внутреннем ОЗУ цифровой массив, соответствующий кадру тепловизионного изображения. При необходимости запоминания нескольких кадров изображения, например в режиме микросканирования, может быть использовано внешнее ОЗУ.
После завершения формирования кадра тепловизионного изображения видеопроцессор 6 с управляющего выхода выдает сигнал на блок управления 8, по которому запускается очередной процесс накопления видеосигнала в ФПУ 2 и начинает запись цифрового массива кадра изображения через порт ввода-вывода данных 11 в ОЗУ вывода данных 12. В процессе проведения операций формирования кадра тепловизионного изображения и его записи в ОЗУ вывода данных 12 видеопроцессор 6 выстраивает входные видеоданные в последовательность, определяемую выходным форматом, в том числе при переходе в режимы масштабирования и стоп-кадра. В промежутках между этими операциями видеопроцессор 6 вычисляет коэффициенты регулировок уровня яркости и контраста изображения в ручном и автоматическом режиме, определяет расположение дефектных элементов, формирует служебные символы. Коэффициенты, необходимые для проведения коррекции разброса характеристик чувствительных элементов ФПУ 2, рассчитываются предварительно в режиме калибровки и хранятся во внутреннем или внешнем ОЗУ видеопроцессора 6 (на схеме не показано). Вся информация, необходимая при проведении вычислительным устройством 13 операций цифровой обработки, записывается процессором 6 через порт ввода-вывода данных 11 в ОЗУ предварительных данных 14 параллельно с записью цифровой выборки в ОЗУ вывода данных 12. Из ОЗУ вывода данных 12 цифровая выборка в порядке, определяемом выходным форматом, последовательно с частотой 1/t, где t - длительность одного такта выборки видеоданных, поступает в вычислительное устройство 13.
Вычислительное устройство 13 выполнено таким образом, что операции цифровой обработки данных разбиты на ряд простейших последовательных арифметических действий, выполняемых одновременно. Для этого в вычислительном устройстве 13 реализована цепочка последовательно подключенных вычислительных ячеек от N1, N2 до Na, где a - суммарное количество простейших арифметических действий всех операций цифровой обработки видеоданных. Каждая вычислительная ячейка состоит из двухвходового арифметического устройства и выходного регистра.
Данные Dn, соответствующие n-ному элементу кадра тепловизионного изображения, поступают на первую вычислительную ячейку N1, где осуществляется первая арифметическая операция. Необходимая для расчета информация считывается из ОЗУ предварительных данных 14. Полученные результаты данных Dn сохраняются в регистре. Следующим тактом данные Dn поступают на вторую вычислительную ячейку N2, где происходит вторая арифметическая операция. Одновременно, данные Dn+1 обрабатываются на первой вычислительной ячейке N1. Подобным образом массив видеоданных поочередно проходит через все вычислительные ячейки и поступает с выхода вычислительного устройства 13 на вход блока вывода видеосигнала 7. Для достижения максимального быстродействия вычислительное устройство 13 может быть дублировано, а последовательная цифровая выборка распараллелена.
Устройство синхронизации 15 задает последовательность работы устройств в составе блока аппаратной обработки сигналов 9 через порт ввода-вывода данных 11. Блок вывода видеосигнала 7 формирует выходной поток видеоданных.
При изменении температурных условий функционирования тепловизионного канала, блок управления 8 по команде от видеопроцессора 6 изменяет длительность накопления видеосигнала в ФПУ, компенсируя смещение постоянной составляющей видеосигнала для согласования с входным диапазоном АЦП 4.
Видеопроцессор 6 может быть выполнен на типовом цифровом сигнальном процессоре - digital signal processor (DSP). Блок аппаратной обработки сигналов 9 и мультиплексор 5 могут быть выполнены на программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) с низкой потребляемой мощностью, изготовленной на базе технологии field-programmable gate array (FPGA).
С целью оптимизации алгоритмов цифровой видеообработки данных и сокращения задержки прохождения цифрового видеосигнала некоторые из вычислительных операций могут быть перенесены в видеопроцессор 6, а последовательность проведения операций изменяться.
Задержка прохождения цифрового видеосигнала в тепловизионном канале, выбранном в качестве прототипа, составляет два кадра: один кадр длится ввод, второй - обработка массива цифровых данных. Задержка прохождения цифрового видеосигнала в рассматриваемом тепловизионном канале слагается из времени ввода массива цифровых данных, составляющего один кадр, и времени обработки цифровой выборки. Время обработки цифровой выборки вычисляется по формуле:
T=t×a, где
T - время обработки цифровой выборки;
t - длительность одного такта выборки видеоданных;
a - суммарное количество простейших арифметических действий всех операций цифровой обработки видеоданных.
Учитывая высокую частоту следования выборки видеоданных, процесс цифровой обработки протекает значительно быстрее, чем длительность одного кадра, следовательно, задержка прохождения цифрового видеосигнала в рассматриваемом тепловизионном канале уменьшается в сравнении с прототипом.
Таким образом, введением блока аппаратной обработки сигналов, выполненного с возможностью одновременного выполнения как минимум двух различных вычислительных операций цифровой обработки данных, достигается повышение скорости обработки цифровых видеоданных без существенного увеличения потребляемой мощности и усложнения конструкции устройства, а также снижение задержки прохождения видеосигнала.