Телевизионная система с селективным масштабированием изображения (варианты)
TELEVISION SYSTEM WITH SELECTIVE IMAGE SCALING (VERSIONS)

Предлагаемая группа изобретений относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения, которые выполнены с использованием матричных фотоприемников, изготовленных по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП) и компьютеров. В такой системе на экране компьютерного монитора воспроизводится комбинированное изображение, которое по отношению к первоначально предъявляемому изображению состоит из увеличенного участка и остальной части с неизменным масштабом.
к
к
к
к
Наиболее близким по технической сущности к заявляемым изобретениям, как по варианту 1, так и по варианту 2, следует считать телевизионную систему с селективным масштабированием изображения [1], которая содержит на передающей стороне телевизионную камеру (телекамеру), состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух датчиков телевизионного сигнала (ДТС), изготовленных по технологии матричных приборов с зарядовой связью (матриц ПЗС), а также блока наведения, селектора синхроимпульсов, блока фиксированной задержки (БФЗ), блока регулируемой задержки (БРЗ), формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» (изображения общего вида) и оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала (первого ДТС), а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» (изображения увеличенного фрагмента) и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; первый ДТС телекамеры выполнен на основе матрицы ПЗС с организацией «строчно-кадровый перенос», а второй ДТС - на основе матрицы ПЗС с организацией «строчный перенос», при этом в секции памяти матрицы ПЗС первого ДТС обеспечивается суммирования зарядовых пакетов, сформированных в фотоприемной секции; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом БФЗ и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом БФЗ и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам БРЗ, первый информационный вход которого подключен к первому выходу БФЗ, а второй информационный вход БР3-ко второму выходу БФЗ, первый управляющий вход БРЗ объединен с первым управляющим входом формирователя сигнала рамки и подключен к первому выходу блока наведения, второй выход которого подключен ко второму управляющему входу БРЗ и соответственно ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов в цифровую форму при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному сигналу синхронизации приемника (ССП), ввода цифрового видеосигнала «видео 1» в оперативную память с периодом nТ и вывода из нее с периодом Т, где Т - длительность кадра, n - число суммируемых кадров, ввода/вывода цифрового видеосигнала «видео 2» с периодом Т, выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы.
Отметим, что в секции памяти первого ДТС телекамеры прототипа [1] реализуется суммирование n зарядовых пакетов (для каждого накопленного кадра), что обеспечивает компенсацию оптических потерь светоделителя, вызывающих снижение в β раз освещенности на первом его выходе по отношению к освещенности на его втором выходе.
Обозначим основные параметры для оптических элементов светоделителя и произведем расчет возникающих оптических потерь.
Итак, имеем следующие показатели:
D/ƒ - относительное отверстие дополнительного объектива телекамеры (объектива светоделителя);
1
τ - коэффициент пропускания объектива светоделителя;
2
τ - коэффициент пропускания коллективной линзы светоделителя.
Тогда величина коэффициента оптических потерь светоделителя β, измеряемая в прототипе [1] как отношение освещенности сцены на его втором выходе к освещенности на его первом выходе, может быть определена по формуле:
На практике величина коэффициента β может достигать значения одного порядка (10 раз).
Однако необходимо признать, что принятый в прототипе [1] метод компенсации оптических потерь светоделения ограничивает его применение в телекамере системы наблюдением лишь статичных и малоподвижных объектов, т.к. при контроле динамических сюжетов для фотоприемника первого ДТС неизбежно возникают потери в разрешающей способности изображения по времени.
Здесь следует отметить, что термин «разрешающая способность по времени», как и термин «разрешающая способность по полю кадра», предложил создатель электроннолучевого телевидения В.К. Зворыкин более полувека назад. Его мысль о том, что только учет конечных значений разрешающей способности по полю кадра и по времени делают электронное телевидение реализуемым, воспроизводилась в известной монографии отечественных специалистов из НИИ телевидения [2, с. 34].
Этот постулат Зворыкина можно проиллюстрировать на примере прототипа [1]. Если априори время перемещения объекта по полю кадра меньше суммарного времени накопления фотоприемника в телекамере, то в ее выходном видеосигнале неизбежно возникают специфические искажения, оцениваемые как потери в четкости телевизионного изображения, т.е. как потери параметра разрешающей способности по времени.
И эти потери тем больше, чем более динамичным (подвижным) является сам объект контроля.
Задачей изобретения является снижение потерь в разрешающей способности по времени первого ДТС путем использования в качестве его сенсора, а также сенсора второго ДТС фотоприемных матриц КМОП, устанавливая для их мишеней необходимое соотношение коэффициентов усиления светочувствительных элементов.
1
2
3
1
1
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телевизионную систему по варианту 1, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, блока наведения, селектора синхроимпульсов, БФЗ, БРЗ, формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом БФЗ и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом БФЗ и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам БРЗ, первый информационный вход которого подключен к первому выходу БФЗ, а второй информационный вход БР3 - ко второму выходу БФЗ, первый управляющий вход БРЗ объединен с первым управляющим входом формирователя сигнала рамки и подключен к первому выходу блока наведения, второй выход которого подключен ко второму управляющему входу БРЗ и соответственно ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования первого и второго входных аналоговых видеосигналов («видео 1» и «видео 2» соответственно) в цифровую форму при организации синхронизации каждого из них раздельно по входному ССП, ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2» в оперативную память компьютера; выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, при этом по сравнению с прототипом [1], в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены согласно работе [2, с. 64, рис. 1.18] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет коэффициент усиления K, а также транзисторный МОП-ключ, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в активные столбцы, каждый из которых имеет дополнительно усилитель видеосигнала с коэффициентом усиления K, причем управление МОП-ключами активных пикселов, расположенных по горизонтали, осуществляется при помощи отдельно взятой горизонтальной (строчной) шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество шин видео - число элементов (пикселов) в каждой строке сенсора; при этом на общем кристалле фотоприемника размещается его электронное «обрамление - блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения видеосигнала, а именно: регистр вертикальной (кадровой) развертки, осуществляющий выбор строки; ключевые МОП-транзисторы для каждого активного столбца, обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе его усилителя на соответствующий вход мультиплексора горизонтальной (строчной) развертки, который выполняет подключение видеосигнала с каждого активного пиксела на вход выходного усилителя с коэффициентом усиления K, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1).
Поставленная задача решается и тем, что в заявляемую телевизионную систему по варианту 2, которая содержит на передающей стороне телекамеру, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива, светоделителя, двух ДТС, блока наведения, селектора синхроимпульсов, БФЗ, БРЗ, формирователя сигнала синхронизации и формирователя сигнала рамки, при этом светоделитель телекамеры содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, коллективную линзу, отражающее зеркало и дополнительный объектив, вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с выходом дополнительного объектива, а второй выход - со вторым выходом полупрозрачного зеркала, причем первый выход светоделителя является «выходом нормального оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью первого ДТС, а второй выход светоделителя является «выходом увеличенного оптического изображения» и оптически связан с фотомишенью второго ДТС; блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования второго ДТС, и состоящий из первого привода, кинематически связанного с первым датчиком положения, и второго привода, кинематически связанного со вторым датчиком положения, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения; вход строчной синхронизации формирователя сигнала рамки объединен с первым входом БФЗ и подключен к первому выходу селектора синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя сигнала рамки объединен со вторым входом БФЗ и подключен ко второму выходу селектора синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС, вход «синхро» второго ДТС подключен к выходу формирователя сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам БРЗ, первый информационный вход которого подключен к первому выходу БФЗ, а второй информационный вход БРЗ-ко второму выходу БФЗ, первый управляющий вход БРЗ объединен с первым управляющим входом формирователя сигнала рамки и подключен к первому выходу блока наведения, второй выход которого подключен ко второму управляющему входу БРЗ и соответственно ко второму управляющему входу формирователя сигнала рамки, причем выход первого ДТС является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры, на приемной стороне телевизионной системы расположен персональный компьютер, а между телекамерой и компьютером - линия связи многожильного кабеля, по двум из которых выполняется соединение выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов в телекамере, а по трем другим жилам кабеля линии связи выполняется соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере; в разъем расширения на материнской плате компьютера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для ввода/вывода в оперативную память компьютера первого и второго входных цифровых видеосигналов («видео 1» и «видео 2» соответственно); выполнения микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка», формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко» и выполнения коммутации видеосигналов «видео 1» и «видео 2» по сигналу «окошко», причем выход видеосигнала платы видео является выходом сигнала изображения телевизионной системы, при этом по сравнению с прототипом [1], в телекамере системы первый и второй ДТС соответственно выполнены согласно работе [2, с. 67, рис. 1.21] на кристалле сенсора, изготовленном по технологии КМОП, путем реализации метода «координатная адресация», причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления К и встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на вертикальную шину видео, которая объединяет все активные пикселы мишени в вертикальные столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой строки, осуществляется при помощи отдельно взятой строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество вертикальных шин видео - число пикселов в каждой строке сенсора, при этом на общем кристалле фотоприемника размещаются и блоки, выполняющие развертку и формирование выходного напряжения цифрового видеосигнала, а именно: регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор строки; коммутаторы видеосигнала для каждого столбца, управляемые с соответствующего выхода мультиплексора строчной развертки, и обеспечивающие передачу видеосигнала на выходе каждой шины видео столбца на шину видео строки, выход которой является выходом «Видео» фотоприемника, при этом в активных пикселах мишени сенсора с периодом кадров осуществляют накопление зарядовых пакетов текущего кадра и одновременно считывание видеоинформации предыдущего кадра последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки мишени и последовательного строка за строкой для мишени в целом, формируя на выходе фотоприемника в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала сенсора, причем для компенсации оптических потерь светоделения величина коэффициента усиления K активного пиксела первого ДТС в β раз превышает величину коэффициента усиления K активного пиксела второго ДТС, где величина коэффициента β вычисляется по формуле (1).
Сопоставительный анализ показывает, что оба варианта заявляемой телевизионной системы отличаются от прототипа [1] реализацией в качестве фотоприемников первого и второго ДТС телекамеры матричных приборов, изготовленных по технологии однокристальной КМОП. Но, если для первого варианта матрица КМОП формирует на выходе аналоговый видеосигнал, то для второго варианта каждый пиксел мишени является активным, т.к. он имеет встроенный АЦП сигнала изображения, благодаря которому видеосигнал на выходе является уже цифровым.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В заявляемом решении, по сравнению с прототипом [1], видеосигнал телекамеры, формирующий изображение общего вида, имеет неоспоримый выигрыш в отношении сигнал/шум для динамичных сюжетов контроля за счет снижения потерь в разрешающей способности изображения по времени.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемой телевизионной системы с селективным масштабированием изображения, которая является обобщением, т.е. она распространяется на оба варианта выполнения системы; на фиг. 2а - схемотехническая организация фотоприемников телекамеры для первого варианта телевизионной системы; на фиг. 2б - схемотехническая организация фотоприемников телекамеры для второго варианта телевизионной системы; на фиг. 3 - возможная электрическая схема реализации блока наведения в составе телекамеры: на фиг. 4 показано относительное положение растров первого и второго ДТС телекамеры в зависимости от величины задержек синхросигнала по строке и кадру; на фиг. 5 представлены в качестве возможных примеров изображения, формируемые предлагаемой телевизионной системой; на фиг. 6 приведены изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида в процессе юстировки телекамеры.
Телевизионная система с селективным масштабированием изображения (см. фиг. 1) содержит на передающей стороне телекамеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных входного объектива 1-1, светоделителя 1-2 и двух ДТС 1-3 и 1-4, причем светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективную линзу 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3 и дополнительный объектив 1-2-4, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 1-2-1, первый выход светоделителя - с выходом объектива 1-2-4, а второй выход светоделителя - со вторым выходом полупрозрачного зеркала 1-2-1, при этом первый выход светоделителя 1-2 телекамеры является выходом изображения общего вида и оптически связан с фотомишенью первого ДТС 1-3, а второй выход светоделителя 1-2 - выходом изображения увеличенного фрагмента и оптически связан с фотомишенью второго ДТС 1-4; в состав телекамеры также входят блок 1-5 наведения, селектор 1-6 синхроимпульсов, БФЗ 1-7, БРЗ 1-8, формирователь 1-9 сигнала синхронизации и формирователь 1-10 сигнала рамки, причем блок наведения, предназначенный для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4 и состоящий из первого электропривода 1-5-1 (электропривода по горизонтали), кинематически связанного с первым датчиком положения 1-5-2, и второго электропривода 1-5-3 (электропривода по вертикали), кинематически связанного со вторым датчиком положения 1-5-4, при этом выход первого датчика положения является первым выходом блока наведения, а выход второго датчика положения - вторым выходом блока наведения, выход ДТС 1-3 подключен к входу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход строчной синхронизации формирователя 1-10 сигнала рамки объединен с первым входом БФЗ 1-7 и подключен к первому выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, а вход кадровой синхронизации формирователя 1-10 сигнала рамки объединен со вторым входом БФЗ 1-7 и подключен ко второму выходу селектора 1-6 синхроимпульсов, вход которого подключен к выходу «видео» первого ДТС 1-3, вход «синхро» второго ДТС 1-4 подключен к выходу формирователя 1-9 сигнала синхронизации, первый и второй входы которого подключены соответственно к первому и второму выходам БРЗ 1-8, первый информационный вход которого подключен к первому выходу БФЗ 1-7, а второй информационный вход БРЗ 1-8 - ко второму выходу БФЗ 1-7, первый управляющий вход БРЗ 1-8 объединен с первым управляющим входом формирователя 1-10 сигнала рамки и подключен к первому выходу блока 1-5 наведения, второй выход которого подключен ко второму управляющему входу БРЗ 1-8 и соответственно ко второму управляющему входу формирователя 1-10 сигнала рамки, причем выход первого ДТС 1-3 является выходом «видео 1» телекамеры, выход второго ДТС 1-4 - выходом «видео 2» телекамеры, а выход формирователя 1-10 сигнала рамки - выходом «рамка» телекамеры; на приемной стороне телевизионной системы расположен компьютер в позиции 3, причем на материнской плате компьютера в разъем расширения установлена плата видео, а между приемной и передающей сторонами проложена линия связи в позиции 2, состоящая из пяти жил кабеля и обеспечивающая соединение выходов сигналов «видео 1», «видео 2» и «рамка» телекамеры с соответствующими входами на компьютере, а также выхода сигналов для команд наведения «Вправо/Влево» и «Вверх/Вниз» на компьютере с входами этих сигналов на электроприводы 1-5-1 и 1-5-3 в телекамере соответственно.
Схемотехническая организация фотоприемника для первого и второго ДТС телекамеры при реализации первого варианта телевизионной системы представлена на фиг. 2а.
Сенсор выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 4, регистр кадровой развертки в позиции 5 и мультиплексор строчной развертки в позиции 6.
1
Каждый активный пиксел мишени, см. фиг. 2а, имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 4-1, усилитель 4-2 с коэффициентом усиления K и МОП-ключ (ключевой МОП-транзистор в позиции 4-3.
Управление ключевого МОП-транзистора 4-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 4-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 5 кадровой развертки.
2
3
Видеосигнал с выхода каждого ключевого МОП-транзистора 4-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого активного столбца передается шину видео 4-5, а затем - на вход усилителя столбца 4-6 с коэффициентом усиления K. Далее с выхода усилителя 4-6 при помощи ключевого МОП-транзистора 4-7, управляемого с одного из выходов мультиплексора 6, видеосигнал транслируется на вход выходного усилителя 4-8 с коэффициентом усиления K для получения необходимого уровня аналогового видеосигнала текущего пиксела данного активного столбца на выходе сенсора.
Заметим, что выходной усилитель 4-8 - не принадлежность этого отдельно взятого активного столбца, а является общим элементом для всех активных столбцов прибора.
То же самое формирование видеосигнала происходит и в пределах других активных столбцов мишени 4 данного сенсора.
В результате на выходе усилителя 4-8 в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в аналоговом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.
Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник, но и блоки развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.
Схемотехническая организация фотоприемника для первого и второго ДТС телекамеры при реализации второго варианта телевизионной системы представлена на фиг. 2б.
Сенсор выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень) в позиции 7, регистр кадровой развертки в позиции 8, коммутатор видеосигналов в позиции 9 и мультиплексор строчной развертки в позиции 10.
Как показано на фиг. 2б, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы вертикальной шиной видео 7-5.
1
Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 7-1, усилитель 7-2 с коэффициентом усиления K и АЦП 7-3. Коммутатор видеосигналов 9 состоит из отдельных коммутаторов 9-1, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных горизонтальной шиной видео 7-6.
Управление АЦП 7-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 7-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 8 кадровой развертки.
Видеосигнал с выхода каждого АЦП 7-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого столбца передается на горизонтальную шину видео 7-6. Далее при помощи ключевого МОП-транзистора коммутатора 9-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 10, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на горизонтальную шину видео 7-6, а затем транслируется по ней на выход сенсора.
То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других столбцов мишени 7 данного сенсора.
В результате на выходе видео в прямоугольном растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом
формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника.
Благодаря принятой для изготовления сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и необходимые блоки цифровой развертки. Очевидно, что этот сенсор в техническом плане совершеннее предыдущего сенсора, но он сложнее в производстве, а поэтому его цена будет существенно выше.
Входной объектив 1-1, светоделитель 1-2, блок 1-5 наведения, селектор 1-6 синхроимпульсов, БФЗ 1-7, БРЗ 1-8, формирователь 1-9 сигнала синхронизации и формирователь 1-10 сигнала рамки телекамеры по назначению и схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа [1].
Отметим, что для увеличения геометрических размеров пространства, находящегося в поле зрения телевизионной системы, желательно чтобы входной объектив 1-1 имел широкий угол поля зрения при стандартной величине формата кадра 4/3. Например, отечественный объектив «Зенитар-М 2,8/16», относящийся к оптике типа «Рыбий глаз», может обеспечить для диагонали фотомишени датчика 1-3, равной 1/3 дюйма, поле зрения по горизонтали не менее 100 угловых градусов.
м
Предположим, что формат мишени сенсоров обоих ДТС, как для первого, так и для второго варианта выполнения заявляемой телевизионной системы, составляет, как и в прототипе [1], 1/3 дюйма (4,8 × 3,3) мм. Размер кадра для объектива «Зенитар-М 2,8/16» составляет 24 × 36 мм. Поэтому кратность масштабирования K оптического изображения, формируемого на втором выходе светоделителя, равна отношению:
Блок 1-5 наведения предназначен для осуществления пространственного позиционирования ДТС 1-4. Электрическая схема блока 1-5 может быть реализована на базе технического решения «Применение оптрона HSSR-7111 для управления реверсом электродвигателя переменного тока», опубликованного в Интернете на сайте [3].
Изделие HSSR-7111 - однополюсный нормально разомкнутый оптрон с выходным каскадом на мощных МОП-транзисторах, имеет очень малое сопротивление во включенном состоянии и работает в точности как полупроводниковое реле.
Рассмотрим работу блока 1-5 наведения (см. фиг. 3), схема которого выполнена на четырех оптронах HSSR, обозначенных как VT1…VT4. Будем считать, что управление наведением осуществляется командами в соответствии с табл. 1.
Необходимо отметить, что подаваемые в телекамеру с компьютера по линии связи сигналы управления блоком 1-5 наведения являются постоянными напряжениями положительной или отрицательной полярности величиной (5…30) Вольт, отсчитываемой относительно провода «общий».
При отсутствии команд управления эти напряжений тоже отсутствуют. Поэтому оптроны VT1…VT4 разомкнуты, а электродвигатели M1 и М2 обесточены.
Пусть по линии связи на блок 1-5 наведения поступает команда «Управление по горизонтали» - «Вправо». Тогда оптрон VT2 замыкается, а электродвигатель M1 подключается к источнику переменного напряжения ~U и начинает вращаться.
Если взамен этой команды поступит команда «Управление по горизонтали» - «Влево», то замкнется оптрон VT1, а электродвигатель M1 будет вращаться в другом направлении.
Аналогично происходит и для команд «Управление по вертикали». Если подана команда «Вверх», то замыкается оптрон VT4 и вращается электродвигатель М2. Когда вместо нее будет подана команда «Влево», то замыкается оптрон VT3, а двигатель М2 меняет направление вращения. Концевые выключатели SF1…SF4 обеспечивают необходимые пределы позиционирования ДТС 1-4 по горизонтали и вертикали.
x
y
x
y
*
*
Как и в блоке наведения прототипа [1], датчики положения 1-5-2 и 1-5-4 выполнены на основе переменных резисторов RP и RP, имеющих линейную зависимость изменения сопротивления от угла поворота. Постоянные резисторы R и R необходимы для выполнения настроечной работы по точному позиционированию.
БФЗ 1-7 реализует постоянную временную задержку строчного синхроимпульса на половину периода строки и кадрового синхроимпульса на половину периода кадров, т.е.:
Где  - задержка по строке;
- задержка по кадру;
с
Т - период строки;
к
Т - период кадров.
БРЗ 1-8 реализует управляемую временную задержку синхроимпульсов с выходов БФЗ 1-7.
Регулируемая задержка по строке  удовлетворяет соотношению:
а регулируемая задержка по кадру  удовлетворяет другому соотношению:
Регулировка длительности задержек  и  осуществляется соответственно от первого (1-5-2) и второго (1-5-4) датчиков положения в блоке наведения 1-5.
Формирователь 1-9 сигнала синхронизации обеспечивает по синхросигналам строк и кадров с выходов БРЗ 1-8 получение на выходе сигнала синхронизации приемника (ССП) с типовыми временными характеристиками его составляющих, например, по ГОСТ 7845-92.
Отметим, что для выполнения качественной работы телекамеры в процессе ее настройки на производстве должны быть выполнены высокоточные регулировки (юстировки).
x
y
x
y
x
y
Юстировка блока 1-5 наведения должна обеспечивать при всех выставляемых положениях движков потенциометров RP и RP такое положение ДТС 1-4 относительно второго выхода светоделителя 1-2, чтобы геометрический центр его фотомишени совпадал с геометрическим центром проецируемого изображения. Юстировка обеспечивается за счет высокого класса точности изготовления всех механических элементов электроприводов 1-5-1 и 1-5-3, а также путем использования подборочных резисторов R* и R* и применения потенциометров RP и RP с линейной зависимостью изменения сопротивления от угла поворота.
x
y
После завершения юстировки изображения электронной рамки на фоне изображения общего вида должны соответствовать положениям движков потенциометров RP и RP, приведенным в табл. 2.
При правильно выполненной юстировке телекамеры после перевода системы в режим «Комбинированное изображение» увеличенное изображение займет в растре местоположение в зоне первоначального выбора, т.е. в той его части, которое было отмечено соответствующей электронной рамкой.
Компьютер 3 предназначен для выполнения следующих операций:
преобразования первого («видео 1») и второго («видео 2») входных аналоговых сигналов изображения, транслируемых с телекамеры для первого варианта выполнения телевизионной системы, в соответствующие цифровые видеосигналы;
ввода/вывода цифровых видеосигналов «видео 1» и «видео 2»
формирования команд «Управление наведением» и «Выбор режима видео»;
микширования выходного цифрового видеосигнала «видео 1» с сигналом «рамка»,
формирования по сигналу «рамка» сигнала «окошко»;
выполнения коммутации и воспроизведения цифровых видеосигналов в режимах «Изображение общего вида» и «Комбинированное изображение».
Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Управление наведением», была представлена выше (см. табл. 1).
Характеристика сигналов управления, сопутствующих команде «Выбор режима видео», представлена в табл. 3.
Все сигнальные операции и управляющие команды выполняются в соответствии с прикладной компьютерной программой, которая является неотъемлемой частью разработки данной телевизионной системы.
Очевидно, что подача команд управления может осуществляться с клавиатуры компьютера и/или помощи компьютерной мыши.
Отметим, что команда «Выбор режима видео» распространяется в пределах компьютера, а поэтому является командой внутреннего пользования. Команда «Управление наведением» - внешняя команда, т.к. она предназначена для управления работой телекамеры.
Необходимо отметить, что сигнал «окошко» может определять растровую зону сигнала «рамка» или ее превышать, но геометрические центры этих зон всегда совпадают.
В разрабатываемой для заявляемой системы прикладной компьютерной программе крайне желательно реализовать и коррекцию «подушкообразных» геометрических искажений, вносимых входным широкоугольным объективом типа «Рыбий глаз» в сигналы изображения «видео 1» и «видео 2», которые формирует телекамера.
Заявляемая телевизионная система с селективным масштабированием изображения (см. фиг. 1) работает следующим образом. Выделим в работе предлагаемой системы два упомянутых ранее режима:
«Изображение общего вида и выбор фрагмента» (режим 1);
«Комбинированное изображение» (режим 2).
Независимо от режима работы телевизионной системы, как и в прототипе, входное оптическое изображение по оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1, коллективная линза 1-2-2, отражающее зеркало 1-2-3, дополнительный объектив 1-2-4 проецируется на фотомишень первого ДТС 1-3.
м
Одновременно увеличенный (в соответствии с кратностью масштабирования К светоделителя 1-2) фрагмент этого изображения, границы которого определяются электронной рамкой, по другому оптическому пути: входной объектив 1-1, полупрозрачное зеркало 1-2-1 проецируется на фотомишень второго ДТС 1-4.
м
Отметим, что кратность масштабирования К светоделителя 1-2, как и в прототипе [1], определяется отношением ширины (высоты) оптического кадра входного объектива 1-1 к соответствующим сторонам фотомишени второго ДТС 1-4.
В результате фотоэлектрического преобразования оптическое изображение каждого из ДТС преобразуется далее в соответствующие композитные видеосигналы. Применительно для варианта 1 телевизионной системы это аналоговая форма композитных видеосигналов, а применительно для варианта 2 - цифровая форма видеосигналов.
Как и в прототипе [1], селектор 1-6 синхроимпульсов выделяет из композитного видеосигнала «видео 1» строчные и кадровые синхроимпульсы, а формирователь 1-10 сигнала рамки вырабатывает на выходе сигнал прямоугольной рамки с форматом (а × b).
БФЗ 1-7 осуществляет задержку строчных и кадровых синхроимпульсов, поступающих с селектора 1-6, соответственно на половину периода строки и на половину периода кадров, т.е.:
x
y
Допустим, что рамка занимает исходное положение для выбора центрального фрагмента предъявляемого изображения общего вида. При этом движки потенциометров RP и RP в блоке 1-5 наведения будут занимать среднее положение, а в БРЗ 1-8 будет выполняться задержка строчных и кадровых синхроимпульсов, поступающих с БФЗ 1-7, соответственно на половину периода строки и на половину периода кадра. Поэтому в БРЗ 1-8 строчная задержка  и кадровая задержка  составляют:
1
Для иллюстрации на фиг. 9в показано временное положение строчного синхроимпульса на выходе БРЗ 1-8, а регулируемая задержка составляет τ.
Тогда сигнал синхронизации приемника (ССП) на выходе формирователя 1-9 совпадает по фазе с ССП, который «встроен» в композитный сигнал изображения «видео 2» на выходе ДТС 1-3. Поэтому, учитывая, что ССП на выходе формирователя 1-9 определяет режим ведомой синхронизации для ДТС 1-4, получаем важный результат. А именно: растр нормального изображения, формируемый ДТС 1-3, и растр увеличенного изображения, формируемый 1-4, по отношению друг к другу не только синхронны, но и синфазны, а поэтому при наложении совпадают.
Эта ситуация иллюстрируется на фиг. 4а, где там, а далее на всем рисунке, растр нормального изображения обозначен штриховкой от центра, а границы растра увеличенного изображения отмечены штрихпунктирной линией. Пунктирной линией на фиг. 4-6 показано положение электронной рамки.
x
y
Допустим, что электронная рамка занимает положение, показанное на фиг. 4б, т.е. в левом нижнем углу растра нормального изображения. При этом движки потенциометров RP и RP в блоке 1-5 наведения займут новое положение, а в БРЗ 1-8 будет выполняться другая задержка входных строчных и кадровых синхроимпульсов, удовлетворяющая соотношению:
В этой ситуации сигнал синхронизации приемника (ССП) на выходе формирователя 1-9 опережает по фазе ССП из композитного «видео 1» на выходе ДТС 1-3. В результате растр увеличенного изображения, формируемый ДТС 1-4, смещен относительно растра нормального изображения, формируемого ДТС 1-3, как показано на фиг. 4б.
x
y
Допустим, что электронная рамка занимает новое положение, а именно: в правом верхнем углу растра нормального изображения. В этом случае движки потенциометров RP и RP в блоке 1-5 наведения займут другое положение, а в БРЗ 1-8 будет выполняться другая задержка строчных и кадровых синхроимпульсов, удовлетворяющая соотношениям:
В этой ситуации сигнал синхронизации приемника (ССП) на выходе формирователя 1-9 отстает по фазе от ССП из композитного сигнала «видео 1» на выходе ДТС 1-3. В результате растр увеличенного изображения, формируемый ДТС 1-4, смещен относительно растра, формируемого ДТС 1-3, как показано на фиг. 4в.
Совершенно аналогично, что если будет выбрано любое иное положение электронной рамки, то, благодаря этой организации для ДТС 1-4 режима ведомой синхронизации от формирователя 1-9, в комбинированном изображении будет гарантироваться расположение увеличенного фрагмента не иначе, как в зоне первоначального выбора.
Затем оба аналоговых видеосигнала (для варианта 1 системы) или оба цифровых видеосигнала (для варианта 2 системы) параллельно транслируются из телекамеры 1 по линии связи 2 на приемную сторону телевизионной системы, где поступают в компьютер 3.
На плате видео компьютера аналоговые видеосигналы «видео 1» и «видео 2» при помощи аналого-цифрового преобразования (АЦП) становятся тоже цифровыми видеосигналами. Важно подчеркнуть, что выполнение операции АЦП для «видео 1» и «видео 2» должно происходить при соблюдении для каждого из сигналов режима раздельной синхронизации по входному сигналу синхронизации приемника (ССП).
Далее цифровые видеосигналы «видео 1» и «видео 2», как для первого, так и для второго варианта выполнения телевизионной системы, записывается в оперативную память компьютера 3.
Отметим, что при подаче питания телевизионная система по умолчанию начинает работать в режиме 1, а в компьютере формируется сигнал логической «1» для команды «Выбор режима видео» - «Изображение общего вида и выбор интересующего фрагмента».
Поэтому на плате видео компьютера выполняется цифровое микширование сигнала «видео 1» с сигналом электронной рамки, а в результате коммутации видеосигналов именно сигнал «видео 1» с «наложенной» на него рамкой воспроизводится на экране компьютерного монитора.
x
y
Напомним, что положение рамки в пределах активной части растра определяется в зависимости от положения движков потенциометров RP и RP (датчиков положения 1-5-2 и 1-5-4), установленных в блоке 1-5 наведения. Одновременно ДТС 1-4 формирует видеосигнал оптически увеличенного «внутрирамочного» изображения.
Электронная рамка отмечает на изображении зону повышенного интереса для оператора, а он, подавая с компьютера в телекамеру команды «Управление по горизонтали» - «Вправо/Влево» и «Управление по вертикали» - «Вверх/Вниз», может дистанционно установить рамку на любом участке наблюдаемого изображения.
Качество этого изображения для наблюдаемых динамичных сюжетов будет заведомо выше, чем у прототипа [1], благодаря применению в качестве фотоприемников для первого и второго ДТС телекамеры матриц КМОП с необходимым соотношением показателей коэффициентов усиления зарядового изображения.
Далее оператор переводит телевизионную систему в режим 2 работы и контролирует формируемое комбинированное изображение.
На фиг. 5 демонстрируется практическое использование предлагаемой системы для организации телевизионного наблюдения на автомобильной стоянке. На фиг. 5а показано изображение, формируемое в режиме 1, а на фиг. 5б - в режиме 2, где отчетливо виден номер автомобиля в зоне первоначального выбора.
Световая чувствительность телекамеры для изображения общего вида увеличена в необходимое число (в β раз), а поэтому ее реальная величина не уступает аналогичному показателю для увеличенного по масштабу изображения.
Благодаря принципиально достигаемому в заявляемой системе результату по снижению потерь разрешающей способности по времени, высокое качество телевизионного изображения номера (см. фиг. 5б) будет сохраняться и при возобновлении движения автомобиля.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения телевизионной системы с селективным масштабированием изображения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент 2504100 РФ. МПК H04N 5/225. Телевизионная система с селективным масштабированием. / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №1.
2. Березин В.В., Умбиталиев А.А., Фахми Ш.С., Цыцулин А.К. и Шипилов Н.Н. Твердотельная революция в телевидении: Телевизионные системы на основе приборов с зарядовой связью, систем на кристалле и видеосистем на кристалле. Под ред. А.А. Умбиталиева и А.К. Цыцулина. - М.: «Радио и связь», 2006.
3. www.avagotech.com