ДАТЧИК ВИДЕОСИГНАЛА ОСНОВНЫХ ЦВЕТОВ ДЛЯ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ ЦВЕТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
VIDEOSIGNAL SENSOR OF PRIMARY COLOURS FOR PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE OF COLOUR IMAGES

Изобретение относится к панорамному телевизионному наблюдению цветного изображения, которое выполняется при помощи трех датчиков видеосигнала основных цветов (R, G, В) в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать датчик видеосигнала основных цветов [1], оптический вход которого расположен в одном из трех выходов оптической светоделительной призмы, установленной между панорамным объективом и тремя этими датчиками, каждый из которых содержит «кольцевой» фотоприемник, на мишень которого проецируется панорамное оптическое изображение в одном из трех основных цветов, т.е. или в красном - R, или в зеленом - G, или в синем - В, а также последовательно расположенный и связанный с «кольцевым» сенсором блок фотоприемника, выход которого является выходом видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и преобразователя «заряд -напряжение» (БПЗН), причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти, при этом блок фотоприемника обеспечивает «кольцевой» растр изображения и формирование на выходе аналогового видеосигнала.
Для прототипа предполагается следующее.
Во-первых, БПЗН «кольцевого» фотоприемника организован по типу «плавающая диффузионная область» [2], а поэтому имеет управляющий вход, обеспечивающий поэлементный сброс напряжения формируемого видеосигнала.
Во-вторых, блок фотоприемника содержит блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам секции памяти, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, а пятый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора.
Недостаток датчика прототипа - переменная величина разрешающей способности изображения в пределах кадра, изменяющаяся в сторону уменьшения по направлению к внешней периферии «кольцевого» фотоприемника из-за увеличивающейся величины промежутка (зазора) между его светочувствительными элементами, которые имеют одинаковый показатель по геометрической площади.
Задачей изобретения является выравнивание разрешающей способности изображения датчика путем реализации в «кольцевом» фотоприемнике различных по площади светочувствительных элементов и управления зарядовым считыванием в видеосигнале сенсора с одинаковой величиной площади апертуры.
r
Поставленная задача в заявляемом датчике видеосигнала основных цветов решается тем, что в устройство его прототипа [1], содержащее «кольцевой» фотоприемник, на мишень которого проецируется панорамное оптическое изображение в одном из трех основных цветов (или в красном - R, или в зеленом - G, или в синем - В), а также блок «кольцевой» развертки и сигнальный процессор, выход которого является выходом видеосигнала датчика, при этом «кольцевой» фотоприемник, выполненный по технологии ПЗС, имеет кристалл мишени в виде кругового кольца из кремния и состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области, секции памяти, «кольцевого» регистра сдвига и БПЗН с организацией по типу «плавающая диффузия», причем на фотоприемной области линейки светочувствительных элементов, чередующиеся с линейками экранированных от света элементов, а также линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число элементов которого равно числу элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области и в каждой «кольцевой» строке секции памяти, при этом информационный вход сигнального процессора подключен к выходу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, первый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам фотоприемной области «кольцевого» фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам секции памяти, третий выход блока «кольцевой» развертки - к управляющим входам «кольцевого» регистра сдвига «кольцевого» фотоприемника, четвертый выход блока «кольцевой» развертки - к управляющему входу БПЗН «кольцевого» фотоприемника, пятый выход блока «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора, введен блок формирования апертуры (БФА), информационный вход которого подключен к шестому выходу блока «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА - к седьмому выходу блока «кольцевой» развертки, а выход БФА - к управляющему входу блока «кольцевой» развертки, при этом на фотоприемной области сенсора вносятся следующие конструкторско-технологические изменения топологического характера, а именно: площадь светочувствительных элементов и равная ей площадь экранированных элементов различны от строки к строке, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти, причем период управляющих импульсов T, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:
р
где Т - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике равна отношению:
1
m
где Δ и Δ - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике, обеспечивая, благодаря этим признакам, реализацию в выходном видеосигнале сенсора одинаковой площади считывающей апертуры.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый датчик видеосигнала основных цветов отличается тем, что в его «кольцевом» фотоприемнике светочувствительные элементы имеют геометрическую площадь, которая монотонно увеличивается в радиальном направлении на пути к внешней периферии.
При этом при помощи вводимого в его состав БФА реализуется одинаковый показатель площади считывающей апертуры фотоприемника, что обеспечивает одинаковую чувствительность сенсора по всей его мишени и без внесения шумовых потерь для видеосигнала.
Учитывая, что в новой топологии фотоприемника зазоры, т.е. промежутки между светочувствительными элементами по всей мишени становятся одинаковыми (или близкими к одинаковым) по величине, осуществляется выравнивание параметра разрешающей способности изображения в пределах всего «кольцевого» телевизионного кадра.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого устройства не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Выравнивание разрешающей способности изображения выполняется в «кольцевом» растре изображения. Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого датчика видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения; на фиг. 2 приведена схемотехническая организации «кольцевого» фотоприемника из состава этого датчика; на фиг. 3 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции; на фиг. 4 по данным [2, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией по типу «плавающая диффузионная область»; на фиг. 5 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой заявляемого «кольцевого» сенсора; на фиг. 6, по данным [3], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.
Заявляемый датчик видеосигнала основных цветов (см. фиг. 1-3) содержит в своем составе «кольцевой» фотоприемник 1, блок 2 «кольцевой» развертки, сигнальный процессор 3, выход которого является выходом датчика для R (G или В) видеосигнала, а также БФА 4, при этом «кольцевой» фотоприемник 1 состоит из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной области 1-1, секции памяти 1-2, «кольцевого» регистра сдвига 1-3 и БПЗН 1-4, причем управляющий вход фотоприемной области 1-1 «кольцевого» фотоприемника подключен к первому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, управляющий секции памяти 1-2 - ко второму выходу блока 2 «кольцевой» развертки, управляющий вход «кольцевого» регистра сдвига 1-3 «кольцевого» фотоприемника - к третьему выходу блока 2 «кольцевой» развертки, управляющий вход БПЗН 1-4 «кольцевого» фотоприемника - к четвертому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, пятый выход которого подключен к входу синхронизации сигнального процессора 3, при этом информационный вход БФА 4 подключен к шестому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА 4 - к седьмому выходу блока 2 «кольцевой» развертки, а выход БФА 4 - к управляющему входу блока 2 «кольцевой» развертки.
Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного изображения, см. фиг. 6, подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника 1, как и в прототипе, в пользу кругового кольца.
Важно отметить, что в кристалл нового «кольцевого» фотоприемника 1, как и у сенсора прототипа ['1], интегрирована секция аналоговой памяти. Благодаря ее наличию сохраняется повышенное отношение сигнал/шум видеосигнала за счет существенного ослабления влияния на уровень шума двух паразитных физических факторов на мишени, а именно: переотражения светового потока и диффузии носителей заряда в полупроводнике.
Добавим, что в «кольцевом» фотоприемнике 1 электроды переноса на фотоприемной области 1-1, в секции памяти 1-2 и в «кольцевом» регистре сдвига 1-3 могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца. Несомненно, что это предоставит и определенные преимущества при изготовлении «кольцевого» фотоприемника по технологии ПЗС.
ф1
ф2
ф3
выхз
вых
сбр
На фиг. 4 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника с организацией по типу «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U, U, U - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-3; U - напряжение на выходном затворе; Д, Д - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.
сбр
Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д.
r
Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов T, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-4.
Блок формирования апертуры (БФА) 4 предназначен для управления считывающей апертурой в «кольцевом» фотоприемнике 1 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-4. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.
r
c1
cn
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемого на выходе БФА 4, представлена на фиг. 5. Предполагается, что фотоприемник 1 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как T, а последняя строка - как T.
Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.
r1
r n
r1
р
r n.
r
Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен T, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - R. Период T является самым малым и равен периоду считывания элемента Т, а период считывания T - самым большим, который равен nT.
В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение». Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе заявляемого датчика.
БФА 4 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 4 может быть выполнен в составе блока 2 «кольцевой» развертки.
Остальные блоки заявляемого датчика, а именно: блок 2 «кольцевой» развертки и сигнальный процессор 3, - ничем не отличаются от блоков прототипа.
Заявляемый датчик видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения (см. фиг. 1-5) работает следующим образом.
Пусть в составе телевизионной камеры (здесь не показано) три таких датчика видеосигнала, воспринимающих в качестве входного оптического изображения соответственно изображение R - красного цвета, G - зеленого цвета и В - синего цвета, располагаются на выходах оптической светоделительной призмы, которая установлена за панорамным объективом и связана с ним оптически. Отметим, что конструкция светоделительной призмы совершенно аналогична той, которая используется в трехматричных цветных камерах вещательного телевидения, см. например, [4, с. 154].
Каждый из трех датчиков видеосигнала R, G и В реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1 с последующим переносом зарядовых пакетов всех строк кадра в секцию памяти 1-2 и заключительным поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-3 с формированием на выходе БПЗН 1-4 напряжения видеосигнала соответствующей цветовой компоненты в аналоговой форме.
При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных элементах (пикселах) фотоприемной области 1-1.
В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор, и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-1.
В том же интервале обратного хода по кадру накопленные ранее зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся из области 1-1 в секцию 1-2.
Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-3.
Но в отличие от прототипа [1], процесс текущего поэлементного преобразования «заряд - напряжение, выполняемый в БПЗН 1-4, осуществляется с переменной величиной периода сброса предыдущего зарядового пакета в стирающий диод.
r
r1
cn
Этот период, обозначенный как T, в пределах «кольцевого» кадра меняется по величине от самого малого (T) для первой строки до самого большого (T) для последней строки.
Благодаря тому, что площадь светочувствительных элементов для «кольцевых» строк на фотоприемной области 1-1 априори изменяется в этом направлении пропорционально, но в сторону уменьшения, обеспечивается одинаковая величина площади считывающей апертуры сенсора.
Величина же промежутка между отдельными апертурными площадками («апертурными пятнами») за счет новой топологии фотоприемника обеспечивается практически одинаковой по всей площади мишени и равной величине зазоров между светочувствительными элементами сенсора.
Следовательно, для каждого из трех датчиков видеосигнала основных цветов будет достигаться выравнивание параметра разрешающей способности непосредственно в фотоприемнике.
Далее, используя видеосигналы R, G и В от этих трех датчиков, через интерфейс телевизионной камеры формируют аналоговый композитный видеосигнал цветного изображения.
Как известно, см. например [4, с. 155], для его получения нужно иметь сигнал яркости (Y), сигнал цветовой разности красного (R-Y) и сигнал цветовой разности синего (В-Y). Все необходимое для этого уже есть.
Сигнал яркости определяется выражением:
Сигнал цветовой разности красного:
Сигнал цветовой разности синего:
Эти два цветоразностных сигнала совместно с сигналом яркости замешиваются в сигнал CVBS (CVBS - аббревиатура от английских слов: «composite video bar signal», т.е. полный видеосигнал) в системе PAL.
Затем аналоговый композитный видеосигнал цветного изображения подвергается оцифровке, приобретая, как и на выходе телевизионной камеры прототипа [1], цифровую форму.
Далее, как и в устройстве компьютерной системы прототипа [1], цифровой композитный видеосигнал цветного изображения передается на сервер, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
В сервере компьютерной системы, реализуется преобразование «кольцевого» кадра цветного изображения в соответствующие «прямоугольные» кадры путем считывания видеосигнала из оперативной памяти, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения.
г
Пусть при проектировании телевизионно-компьютерной системы разработчиком заложено, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору панорамного изображения составляет 60° по горизонтали.
Тогда по соотношению (6) «кольцевой» кадр должен соответствовать шести «прямоугольным» кадрам (n=6). Это означает, что имеем 6 условных областей в пространстве «кольцевого» кадра.
Следовательно, каждый «кольцевой» кадр записи изображения конвертируется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде текущей последовательности операторам этой компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения.
Техническим результатом заявляемого датчика видеосигнала можно считать получение одинакового показателя четкости изображения R, G и В цветов по всему пространству «кольцевого» кадра.
В настоящее время все элементы структурной схемы датчика видеосигнала основных цветов для панорамного телевизионного наблюдения цветного изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2552101. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения и организация фотоприемника для его реализации / В.М. Смелков // Б.И. - 2015. - №16.
2. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - «Радио и связь», 1986.
3. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. - №20.
4. Владо Дамьяновски. CTV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии. / Перевод с англ. М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.