Устройство электронной обработки тепловизионных изображений

Полезная модель относится к технике формирования и передачи изображений, а точнее к тепловидению и предназначена для использования в бортовых системах видеонаблюдения.
Известен тепловизор на основе «смотрящей» матрицы формата 128×128 [Прикладная физика 2 - 1999, стр. 50-54]. Указанный тепловизор содержит матрицу фотоприемников, микрокриогенную систему типа Сплит-Стирлинга, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок цифровой обработки, причем блок цифровой обработки, состоящий из центрального процессора (ЦП), ОЗУ и ПЗУ, выполняет двухточечную коррекцию неравномерности чувствительности и осуществляет алгоритм устранения из изображения дефектных элементов. На выходе блока формируется стандартный телевизионный сигнал с частотой кадров 25 Гц.
Данное устройство имеет следующие недостатки:
невысокая предельная температурная чувствительность;
недостаточная контрастность изображения;
недостаточное качество изображения.
Известен тепловизор на основе "смотрящей" матрицы формата 256×256 (патент SU 2454022 АО «НИИ «Субмикрон») состоящий из объектива, матрицы фотоприемников, микрокриогенной системы (МКС), блока управления МКС, двух АЦП, блока управления, общего блока управления, блока вторичной обработки, ЦАП, телевизора, блока цифровой обработки, аналогового и цифрового выходов видеосигналов, в котором с целью увеличения быстродействия за счет уменьшения задержки выходных данных относительно входных, передача данных осуществляется по стандартному интерфейсу Camera Link (Патент RU 2454022, H04N 5/33, 2011).
Данное устройство также имеет недостаточное разрешение из-за малоразмерного формата матрицы, ограниченные показатели качества изображения.
Наиболее близким по техническому решению является принятое за прототип устройство электронной обработки сигналов матричных фотоприемных устройств [Патент RU 85781, H04N 5/33, 10.08.2009], содержащее восемь дифференциальных усилителей, восемь аналого-цифровых преобразователей, первый и второй блоки ввода информации, блок формирования видеосигнала, первый и второй блоки видеопамяти, цифроаналоговый преобразователь, модуль микроконтроллера и генератор синхроимпульсов, подключенный выходом к входам синхронизации первого и второго блоков ввода информации, блока формирования видеосигнала и модуля микроконтроллера. Признаками аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой ПМ, являются: восемь аналого-цифровых преобразователей, генератор синхроимпульсов, блок видеопамяти, блок формирования аналогового видеосигнала, микроконтроллер.
Недостатками являются низкое быстродействие и дублирование блоков обработки информации, отсутствие цифрового видеосигнала, ограниченные возможности коррекции и повышения качества видеосигнала.
Задача предлагаемого устройства - повышение качества изображения.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение качества изображения.
Результат достигается тем, что устройство электронной обработки тепловизионных изображений, включающее восемь АЦП, генератор синхроимпульсов, блок видеопамяти, блок формирования аналогового видеосигнала, микроконтроллер, дополнительно содержит блок вычитания постоянной составляющей сигналов каждого ФЧЭ, блок двухточечной коррекции неоднородности чувствительности ФЧЭ, блок деселекции отдельных дефектных ФЧЭ и кластеров, состоящих из рядом расположенных ФЧЭ, блок формирования цифрового видеосигнала, блок автоматизированной регулировки яркости и контраста телевизионного изображения с нелинейным преобразованием электронных сигналов в яркость телевизионного изображения, блок изменения полярности формируемого изображения: позитивное и негативное, блок электронного масштабирования в два раза по отношению к формируемому изображению, блок регулировки времени накопления фототока в ручном режиме, блок работы в оконном режиме, блок связи и управления режимами работы от аппаратуры применения или технологического пульта по интерфейсу RS-485, при этом выходы фотоприемного модуля соединены с входами АЦП, выходы АЦП соединены с входами блока подстройки фазы, а его выходы соединяются с входами блока усреднения кадров, электронные сигналы с которого поступают в блоки вычитания фона, коррекции неоднородности чувствительности, коррекции неисправных пикселей и на вход процессора, первый выход которого соединен с входом контроллера прямого доступа к памяти FLASH и ОЗУ, второй выход - с контроллером памяти EEPROM, третий выход процессора соединен с входом приемопередатчика RS-485, четвертый выход процессора соединен с блоком управления калибровкой, при этом данные с ОЗУ через блоки коррекции, регулировки контраста и наложения графических меток поступают в формирователи сигналов CameraLink и полного телевизионного сигнала, который подается на вход цифроаналогового преобразователя.
Устройство электронной обработки тепловизионных изображений совместно с модулем фотоприемным матричным (МФП) формата 640×512 фоточувствительных элементов (ФЧЭ) на спектральный диапазон 3,7-4,8 мкм, и микрокриогенной системой охлаждения (МКС) включает восемь АЦП, процессор со специализированным программным обеспечением, пять регистров оперативной памяти, два ПЗУ, выполняет преобразование теплового изображения объектов, сформированного в плоскости ФЧЭ, в стандартный аналоговый видеосигнал для отображения на телевизионном мониторе и в цифровой видеосигнал для использования в бортовой аппаратуре. При этом повышение качества изображения достигается за счет увеличения разрядности АЦП (16 разрядов), за счет увеличения размера матрицы, и за счет дополнительной цифровой обработки: вычитания фона, постоянной составляющей сигналов каждого ФЧЭ, двухточечной коррекцией неоднородности чувствительности ФЧЭ, деселекцией дефектных ФЧЭ, нелинейным (близким к логарифмическому закону) преобразованием электронных сигналов в яркость телевизионного изображения. Для управления и связи используется интерфейс RS-485, а для передачи цифровых данных - Camera Link.
Аппаратная часть устройства электронной обработки тепловизионных изображений включает три блока: блок сопряжения БС, состоящий из восьми АЦП 1-8, двух буферных блоков 9,10 и модуля фотоприемного 11, блок обработки сигналов БОС на основе ПЛИС «Altera» и блок питания.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 представлен внешний вид блоков:
а - блок обработки сигналов (БОС),
б - блок питания (БП),
в - блок сопряжения (БС).
В результате применения современной элементной базы с использованием ПЛИС, оригинального программного обеспечения, оптимизации взаимодействия отдельных блоков разработано и изготовлено устройство электронной обработки тепловизионных изображений, которое обеспечивает следующие функции и характеризуется параметрами, приведенными в таблице 1:
а) вычитание постоянной составляющей сигналов каждого ФЧЭ;
б) двухточечную коррекцию неоднородности чувствительности ФЧЭ;
в) деселекцию отдельных дефектных ФЧЭ и кластеров состоящих из нескольких рядом расположенных ФЧЭ;
г) формирование цифрового видеосигнала;
д) формирование стандартного аналогового видеосигнала для вывода изображения на телевизионный монитор;
е) автоматизированную регулировку яркости и контраста телевизионного изображения с нелинейным (близким к логарифмическому закону) преобразованием сигналов в яркость телевизионного изображения;
ж) изменение полярности формируемого изображения: позитивное (горячий - белый) и негативное (горячий - черный);
з) электронное масштабирование в два раза по отношению к формируемому изображению;
и) регулировку времени накопления фототока в ручном режиме; к) возможность работы в «оконном» режиме;
л) встроенный контроль готовности;
м) дополнительную обработку изображения;
н) формирование импульсов управления и напряжений питания блока сопряжения и микрокриогенной системы охлаждения (МКС);
о) связь и управление режимами работы от аппаратуры применения или технологического пульта по интерфейсу RS-485;
п) формирование цифрового видеосигнала по утвержденному протоколу;
р) формирование полного аналогового видеосигнала для вывода изображения на телевизионный черно-белый монитор в соответствии с ГОСТ 7845-92.
Устройство работает следующим образом. Аналоговые сигналы с модуля фотоприемного 11 поступают на входы аналогово-цифровых преобразователей 1-8. С выходов АЦП через блок подстройки фазы 15 и десериализаторы 16, восстанавливающие структуру данных из битовой последовательности, сигналы поступают в блоки усреднения кадров 17, вычитания фона 18, коррекции неравномерности чувствительности 19 и деселекции неисправных ФЧЭ 20, а также в блоки управления калибровкой 38, 39, 40 и через вычислитель среднего по кадру 41 - на вход процессора NIOSII. Указанные блоки соединены с оперативными запоминающими устройствами (ОЗУ) 32-35. В процессоре NIOSII реализованы алгоритмы выбора диапазона 42 и текущей калибровки 43, а также программы декодирования и выполнения команд приемопередатчика 47, инициализации устройств и блоков 48, тестирования памяти 44 и обновления программного обеспечения 49. Выходы процессора соединены со входами контроллеров памяти 36, 37, 50, 51 и приемопередатчика 46, с помощью которого осуществляется передача и контроль импульсов управления фотоприемным модулем и микрокриогенной системой. Данные с ОЗУ 32-35 и ПЗУ 45 через блоки коррекции 19, 20, регулировки контраста 21, 22, наложения графических меток 23, гамма-коррекции 24 и масштабирования 25 передаются в устройство формирования цифрового сигнала 26 и в ОЗУ 27. Кроме того, сигнал с блока масштабирования изображения 25 поступает в блок формирователя полного телевизионного аналогового сигнала 28, который через устройство гальванической развязки 30 подается на вход цифроаналогового преобразователя 31, где преобразуется в аналоговый телевизионный сигнал с последующей передачей с выхода ЦАП на вход ВКУ. Для синхронизации приема, обработки и вывода сигналов изображения используются генераторы синхросигналов фотоприемной матрицы 14, аналого-цифровых преобразователей 13 и аналогового выхода 29, а также блок управления фазой 12. Предлагаемое устройство позволяет получить видеоизображение высоко качества в реальном масштабе времени.