Устройство "кольцевого" фотоприёмника для панорамного телевизионно-компьютерного сканирования монохромного изображения
RING PHOTO-RECEIVER FOR PANORAMIC TELEVISION-COMPUTER SCANNING OF MONOCHROME IMAGE

Предполагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному сканированию, которое выполняется компьютерной системой при помощи однострочного кольцевого фотоприемника монохромного (черно-белого) изображения, выполненного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство «кольцевого» фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного сканирования монохромного изображения [1], который изготовлен по технологии ПЗС, имеет форму кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» однострочную фотоприемную область, фотозатвор, «кольцевой» выходной регистр и блок преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), выход которого является выходом монохромного (черно-белого) видеосигнала фотоприемника в аналоговой форме для сканируемого объекта контроля.
Недостаток прототипа «кольцевого» фотоприемника - повышенное энергопотребление, связанное с высокой частотой поэлементного переноса зарядов в «кольцевой» строке, которым сопровождается существенное наращивание числа светочувствительных элементов (пикселов), необходимое для достижения желаемой разрешающей способности выходного видеосигнала.
Задачей изобретения является сокращение энергопотребления фотоприемника за счет двойного снижения частоты поэлементного переноса зарядов в «кольцевой» строке, путем выполнения выходного «кольцевого» регистра в виде двух «кольцевых» регистров, каждый из которых содержит число пикселов, равное  (половине) по отношению к их количеству у прототипа.
Поставленная задача в заявляемом «кольцевом» фотоприемнике для панорамного телевизионно-компьютерного сканирования монохромного изображения решается тем, что в устройство прототипа [1], которое изготовлено по технологии ПЗС, имеет форму кольца и содержит на его кристалле «кольцевую» однострочную фотоприемную область, фотозатвор, «кольцевой» выходной регистр и блок преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), выход которого является выходом монохромного видеосигнала фотоприемника, при этом «кольцевой» выходной регистр прототипа выполнен в виде двух (первого и второго) «кольцевых регистров, каждый из которых экранирован от света и содержит половину от общего числа элементов; оба «кольцевых» регистра совместно с фотозатвором огибают (окружают) «кольцевую однострочную фотоприемную область, причем каждый из двух смежных элементов фотоприемной области связан через фотозатвор зарядовой связью с противоположно расположенными на кристалле элементами соответственно первого и второго «кольцевых» регистров, а последние элементы первого и второго «кольцевых» регистров связаны зарядовой связью соответственно с первым и со вторым входами БПЗН, при этом число фазных электродов для отдельно взятого пиксела в обоих «кольцевых» регистрах должно быть четным, составляя показатель 2 или 4.
По отношению к прототипу [1] заявляемое устройство отличается геометрической формой выполнения выходного регистра для однострочного «кольцевого» фотоприемника. Этот выходной регистр предлагается реализовать по методу ПЗС-технологии в виде двух «кольцевых» регистров, которые по отношению к фотоприемной области сенсора являются соответственно «верхним» и «нижним».
При организации в телевизионной камере с помощью такого фотоприемника «кольцевого» растра панорамного изображения разрешающая способность видеосигнала остается неизменной, а энергопотребление от блока развертки сокращается почти в два раза.
Важно отметить, что управление двумя «кольцевыми» регистрами, осуществляемое блоком развертки на оба регистра, по сравнению с прототипом [1], требует лишь уменьшения в два раза частоты поэлементного переноса. Зарядовые сигналы будут складываться в правильном фазовом соотношении за счет выбора четного показателя для числа фазных электродов применительно к отдельно взятому элементу этих регистров.
Добавим, что в телевизионной камере с новым фотоприемником сохраняется в прежнем виде и механизм сканера - шагового перемещения сенсора на ширину строки в направлении, которое перпендикулярно относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В заявляемом устройстве оригинальный сканер при тех же энергозатратах прототипа способен реализовать повышенную разрешающую способность формируемого телевизионного изображения для контролируемого объекта.
Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена схемотехническая организации заявляемого фотоприемника; на фиг. 2 - структурная схема устройства компьютерной системы с этим фотоприемником для панорамного сканирования монохромного изображения; на фиг. 3, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 4 - предлагаемое оператору (пользователю) компьютерной системы панорамное изображение в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.
Заявляемый твердотельный фотоприемник, см. фиг. 1, выполнен по технологии ПЗС, на кристалле которого расположены «кольцевая» однострочная фотоприемная область 1-2-1, фотозатвор 1-2-2, верхний «кольцевой регистр 1-2-3-(1), нижний «кольцевой» регистр 1-2-3-(2), и БПЗН 1-2-4.
Очевидно, что схемотехническая организация нового «кольцевого» фотоприемника сходна с билинейной организацией линейного однострочного ПЗС фотоприемника [3, с. 158-160], но обеспечивает формирование «кольцевого», а не «прямоугольного» растра видеосигнала.
С технологической точки зрения вполне оправдано, что для нового «кольцевого» фотоприемника, как и для прототипа [1], электроды переноса в фотоприемной области 1-2-1, а также в обоих «кольцевых» регистрах 1-2-3-(1) и 1-2-3-(2) могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.
Как и для прототипа [1], устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения при помощи нового фотоприемника, см. фиг. 2, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и сервер 2, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, при этом телевизионная камера 1 содержит последовательно расположенные и оптически связанные панорамный объектив 1-1 и твердотельный фотоприемник 1-2, а также блок 1-3 механического сканирования сенсора, который, будучи кинематически связан с фотоприемником 1-2, осуществляет его механическое сканирование (с шагом в ширину строки) в перпендикулярном направлении относительно неподвижной плоскости изображения панорамного объектива 1-1, причем управляющие входы фотоприемной области 1-2-1 сенсора подключены к первому выходу блока 1-4 «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала, второй выход которого подключен к управляющим входам обоих «кольцевых» регистров сенсора, третий выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к входу синхронизации сигнального процессора 1-5, четвертый выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к тактовому входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 1-6, пятый выход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к входу синхронизации блока 1-3 механического сканирования сенсора, а управляющий вход блока 1-4 «кольцевой» развертки - к выходу управления экспозицией сигнального процессора 1-5; выход АЦП 1-6 является выходом телевизионной камеры 1, в разъем расширения на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольный» (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Панорамный объектив 1-1 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения).
В качестве близкого примера его технического решения можно считать панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 3. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75 - 80) градусов по углу места.
Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника в пользу кругового кольца.
Блок 1-4 «кольцевой» однострочной развертки видеосигнала, сигнальный процессор 1-5 и АЦП 1-6 целесообразно выполнить с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции.
Блок 1-3 механического сканирования сенсора предназначен для выполнения пошагового перемещения фотоприемника 1-2 с интервалом по расстоянию, равным ширине одной «кольцевой» строки.
Когда фотоприемник 1-2 находится в статичном (неподвижном) состоянии, осуществляется накопление сигнала изображения в в светочувствительных пикселах его «кольцевой» однострочной фотоприемной области 1-2-1. При этом фотозатвор 1-2-2 сенсора на время накопления зарядов остается закрытым.
Когда интервал накопления заканчивается, фотозатвор 1-2-2 открывается, осуществляется перенос накопленных зарядов параллельно в «шахматном порядке», а именно: в ячейки «кольцевого» регистра 1-2-3-(1) и в ячейки «кольцевого» регистра 1-2-3-(1), при этом перемещается сам фотоприемник 1-2 на один шаг механического сканирования.
Затем фотозатвор 1-2-2 сенсора вновь закрывается. В «кольцевой» фотоприемной области 1-2-1 сенсора начинается цикл накопления новой информационной строки изображения, а в обоих «кольцевых» регистрах осуществляется поэлементное перемещение зарядовых пакетов предыдущей информационной строки по направлению к БПЗН 1-2-4 и формирование на выходе фотоприемника аналогового видеосигнала. Далее процесс повторяется.
Длительность накопления зарядов информационной строки определяется освещенностью контролируемого объекта и чувствительностью фотоприемника 1-2. Учитывая, что механическое сканирование сенсора осуществляется принципиально медленнее, чем электронное, телевизионная камера 1 может быть справедливо названа камерой малокадрового телевидения.
Очевидно, что при проектировании телевизионной камеры новый фотоприемник 1-2 может быть выполнен в составе блока 1-3.
Рассмотрим работу компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения с новым фотоприемником (см. фиг. 2).
Телевизионная камера 1 размещается на штативе (на фиг. 2 он не показан).
Панорамный объектив 1-1 формирует «кольцевое» оптическое контролируемой сцены, проецируя его на мишень 1-2-1 фотоприемника телевизионной камеры.
Фотоприемник 1-2 реализует «кольцевую» однострочную развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-2-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов параллельно в «кольцевом» регистре 1-2-3-(1) и в «кольцевом регистре 1-2-3-(2) по направлению к входам БПЗН 1-2-4. Поэтому по зарядовым сигналам, подаваемым по двум входам, на выходе БПЗН 1-2-4 сенсора будет сформировано напряжения видеосигнала в аналоговой форме.
В результате этого фотоэлектрического и последующего аналого-цифрового преобразования видеосигнала на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал монохромного изображения.
По интерфейсу (например, USB 2,0) в оперативную память сервера 2 будет транслироваться цифровой видеосигнал «кольцевой» строки фотоприемника 1-2 при пошаговом перемещении самого фотоприемника на ширину пиксела этой строки.
В результате всех пошаговых перемещений (в пределах угла места для панорамного сюжета) в оперативную память сервера 2 будет занесена видеоинформация о «кольцевом» кадре, полученном при помощи «сканерной» записи составляющих его «кольцевых» строк.
г
Допустим, что, как и в прототипе, горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения по соотношению (1) составляет 60 градусов.
Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 2 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Предположим, что полное число «кольцевых» строк в «кольцевом» кадре составляет m. Механическое сканирование сенсора определяет режим формирования «кольцевого» кадра как медленный, т.е. малокадровый.
Поэтому необходимое время записи всех m строк в сервере 2 составит несколько секунд, но вполне оправдано достигаемым результатом -поддержанием неизменного показателя угла места кругового обзора и оптимизацией фотоприемника для ведения такого обзора.
Далее, как и в прототипе [1], в сервере 2 при помощи элемента БПКП, реализующего возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры вещательного телевидения и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 2.
Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 4) операторам компьютеров 3.
Организация заявляемого однострочного фотоприемника на ПЗС может оказаться эффективным средством не только в борьбе за снижение энергопотребления сенсора, но и в стремлении снизить неэффективность зарядового переноса, в особенности для сенсоров с поверхностным каналом, что можно считать дополнительным техническим результатом предлагаемого решения.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства «кольцевого» фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного сканирования монохромного изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2579002. МПК H04N 7/00. Устройство компьютерной системы для панорамного сканирования монохромного изображения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2016. - №9.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // Б.И. - 2002. -№20.
3. Секен К., Томпсет М. Приборы с переносом заряда. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.