ТЕЛЕВИЗИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ И/ИЛИ СЛОЖНОЙ ЯРКОСТИ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ
TV-SYSTEM TO RECORD IMAGES IN COMPLICATED CONDITIONS OF ILLUMINATION AND/OR VARYING-BRIGHTNESS

Предлагаемое изобретение относится к телевизионным системам, работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения телевизионной камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионную систему [1, с.54-59], состоящую из последовательно соединенных по композитному видеосигналу телевизионной камеры и компьютера, при этом телевизионная камера содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и датчик телевизионного сигнала на матрице приборов с зарядовой связью (ПЗС) с автоматической регулировкой времени накопления, а установленный в компьютере аппаратный и программный продукт обеспечивают телевизионное фотографирование (запись в режиме «Снимок») и воспроизведение этого видеосигнала.
При эксплуатации телевизионной системы прототипа возможны условия сложного освещения и/или сложной яркости наблюдаемых сюжетов и объектов. При этом сами сюжеты и объекты из-за низкой скорости изменения в поле зрения телевизионной системы освещенности и/или яркости можно рассматривать как статичные.
Примерами таких условий могут служить:
- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;
- наблюдение против рассеянного солнечного света;
- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее.
Недостаток прототипа-искажения в регистрируемых снимках изображений для темных и/или низко освещенных объектов наблюдаемой сцены за счет потери чувствительности фотоприемника на матрице ПЗС.
Задача изобретения - компенсация искажений регистрируемых изображений наблюдаемой сцены сложной освещенности и/или сложной яркости путем организации режима оптимального накопления матрицы ПЗС для двух периодических последовательностей кадров видеосигнала и записи двух последовательных снимков.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему, которая состоит из последовательно соединенных по композитному видеосигналу телевизионной камеры и компьютера, причем телевизионная камера содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и датчик телевизионного сигнала с автоматической регулировкой времени накопления, а установленный в компьютере аппаратный и программный продукт обеспечивают запись в режиме «Снимок» и воспроизведение этого видеосигнала, в телевизионную камеру введены RS-триггер и последовательно соединенные селектор синхроимпульсов, счетчик-делитель и блок предустановки и коммутации (БПК), управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом датчика телевизионного сигнала и подключен к прямому выходу RS-триггера, тактовый вход которого подключен к выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала датчика телевизионного сигнала, второй управляющий вход которого подключен к выходу БПК, при этом «S»-вход RS-триггера является входом «Пуск», а «R»-вход RS-триггера - входом «Стоп» телевизионной камеры, а интервал времени между двумя последовательными снимками устанавливается при настройке приложения компьютера равным полупериоду следования импульсов с выхода счетчика-делителя.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телевизионная система отличается наличием новых блоков, в т.ч.: RS-триггера, селектора синхроимпульсов, счетчика-делителя и блока предустановки и коммутации, а также наличием новых связей между новыми и остальными блоками.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении выполняется запись в компьютер двух последовательных снимков композитного видеосигнала телевизионной камеры, при этом сам видеосигнал подготовлен для съемки и представляет собой две периодические последовательности, следующие с интервалом времени между снимками. Кадровые составляющие каждой последовательности сформированы при двух различных длительностях накопления фотоприемника, которые оптимальны или близки к оптимальным значениям соответственно для светлых и темных деталей передаваемых фрагментов сцены.
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 приведен пример выполнения электрической схемы блока предустановки и коммутации (БПК); на фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие работу телевизионной системы.
Заявляемая телевизионная система (см. фиг.1) состоит из последовательно соединенных по композитному видеосигналу телевизионной камеры 1 и компьютера 2.
Телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1-1 и датчик 1-2 телевизионного сигнала с автоматической регулировкой времени накопления, а также RS-триггер 1-3 и последовательно соединенные селектор 1-4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 1-5 и блок 1-6 предустановки и коммутации (БПК), управляющий вход которого соединен с первым управляющим входом датчика 1-2 телевизионного сигнала и подключен к прямому выходу RS-триггера 1-3, тактовый вход которого подключен к выходу селектора 1-4 синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу композитного видеосигнала датчика 1-2 телевизионного сигнала, второй управляющий вход которого подключен к выходу БПК 1-6, при этом «S»-вход RS-триггера 1-3 является входом «Пуск», а «R»-вход RS-триггера 1-3 - входом «Стоп» телевизионной камеры 1.
Управляющие импульсы на входы «S» и «R» RS-триггера 1-3 могут быть поданы от компьютера 2 через блок 1-7 сопряжения интерфейса (RS-232 или RS-485), установленный в телевизионной камере 1 (см. фиг.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 Ѕ дюйма.
Особенностью датчика 1-2 в заявляемом 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 - 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. 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 таблице.
В настоящем решении используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111» - максимальному времени в 10000 мкс. Предустановка этих кодов предусмотрена в блоке БПК 1-6 телевизионной камеры.
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
Возможная электрическая схема этого блока (см. фиг.2) содержит первый элемент И 1-6-1, второй элемент И 1-6-2, третий элемент И 1-6-3, а также первый коммутатор 1-6-4, второй коммутатор 1-6-5 и третий коммутатор 1-6-6, при этом первые входы элементов И соединены между собой и подключены к выходу счетчика-делителя 1-5, вторые входы элементов И - к логической «1», а выходы элементов И - соответственно к управляющим входам первого 1-6-4, второго 1-6-5 и третьего 1-6-6 коммутаторов, входы разрешения коммутаторов соединены между собой и подключены к выходу RS-триггера 1-3, а выходы коммутаторов являются выходом БПК 1-6.
При подаче высокого логического уровня сигнала на входы разрешения коммутаторов 1-6-4, 1-6-5, 1-6-6 и высокого логического уровня сигнала на первые входы элементов И 1-6-1, 1-6-2, 1-6-3 на выходе БПК 1-6 формируется логическая комбинация «111». Когда на первые входы элементов И 1-6-1, 1-6-2, 1-6-3 будет подан логический «0», на выходе БПК 1-6 установится логическая комбинация «000». Если на входы разрешения коммутаторов 1-6-4, 1-6-5, 1-6-6 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов И 1-6-1, 1-6-2, 1-6-3, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
Селектор 1-4 синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ). В качестве блока 1-4 может быть использована широко распространенная на российском рынке комплектации микросхема TDA4820T.
д
д
к
к
Счетчик-делитель 1-5 предназначен для выполнения деления частоты КСИ с 50 Гц до частоты (1-0,1) Гц. Период выходных импульсов Т блока 1-5: Т=n×Т, где Т - период следования КСИ, n - коэффициент деления. Выполнение блока 1-5 известно, см., например, [3, с.174]. RS-триггер 1-3 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Телевизионная система (см. фиг.1) работает следующим образом. В поле зрения телевизионной камеры 1 могут одновременно находиться сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости в статичном состоянии.
Композитный видеосигнал телевизионной камеры записывается в режиме «Снимок» в компьютер 2 и воспроизводится на экране его монитора.
Автоматическая регулировка времени накопления (АРВН) фотоприемника в датчике 1-2 телевизионного сигнала установит по сильно освещенному или яркому сюжету величину текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле темных и низко освещенных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности телевизионной камеры 1 и искажениям соответствующих фрагментов изображения регистрируемого в компьютере 2 снимка записи.
д
Селектор 1-4 синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые синхроимпульсы (см. фиг.3 а), а на выходе счетчика-делителя 1-5 - импульсы с периодом Т (см. фиг.3б).
Пусть на вход «Пуск» телевизионной камеры 1 подается импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 1-3 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 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.
д
Отметим, что независимо от этой коммутации селектор 1-4 синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые синхроимпульсы, а на выходе счетчика-делителя 1-5 формируются импульсы с периодом Т.
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. таблицу). 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. таблицу).
д
Оператор на экране монитора компьютера 2 наблюдает два изображения, сменяющиеся с интервалом Т/2. Одно из них соответствует последовательности кадров, сформированных телевизионной камерой 1 при времени накопления 10 мкс, другое - последовательности кадров при времени накопления 10000 мкс, как показано на временной диаграмме, изображенной на фиг.3в.
д
Выбрав в компьютерной программе закладку «Снимки» и задав интервал времени между двумя последовательными снимками, равным Т/2, оператор далее выполняет запись двух снимков и их сохранение в папке компьютерной памяти.
На снимке 1 яркие и светлые детали передаются видеосигналом, как и в прототипе, без ограничения в белом. На снимке 2 эти фрагменты видеосигнала ограничены в белом, зато фрагменты видеосигнала, передающие темные и низко освещенные детали сцены, приобретают большее отношение сигнал/шум благодаря пропорциональному увеличению времени накопления. Поэтому в отличие от прототипа во втором снимке обеспечивается компенсация искажений сигнала изображения для темных и низко освещенных деталей сцены.
По видеосигналам записи первого и второго снимков в компьютере может быть сформирован сигнал комбинированного изображения.
При необходимости возвращения телевизионной системы в режим работы прототипа следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера 1-3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера 1-3 установится сигнал логического «0», а в датчике 1-2 будет восстановлено функционирование схемы АРВН.
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. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К., Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. - М.: «Радио и связь», 2006.
2. Телевизионные камеры фирмы «ЭВС», каталог, 2005 г.
3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1988 г.