СПОСОБ ОЦИФРОВЫВАНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
IMAGE DIGITISATION METHOD AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к технологии оцифровывания изображения кадра и может быть использовано для получения цифровых изображений кадров в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах.
Прототипом способа является матричный способ формирования оцифровываемых изображений [1, с.816], применяемый в устройствах оцифровывания изображений, реализуемых в светочувствительных приемниках изображений двух типов: приборов с зарядовой связью /ПЗС/ и в приборах с зарядовой инжекцией /ПЗИ/ [1, с.830-832]. Способ получения оцифрованного изображения состоит в последовательно выполняемых операциях: накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения [1, с.831-832], считывание зарядов пикселов ядра последовательно по строкам с матричного приемника изображения, оцифровывание изображения кадра последовательно по зарядам пикселов аналого-цифровым преобразователем /АЦП/ в двоичные коды и окончательное оформление цифрового кадра в цифровом процессоре кадра.
Недостатки способа-прототипа:
- зависимость величины заряда пиксела от длительности кадра и размера самого пиксела, увеличение частоты кадров снижает величины зарядов фотодатчиков, следовательно, и глубину цвета, ограничиваемую 24 битами /по восемь бит каждого цвета R, G, B/.
- процесс оцифровывания кадра идет последовательно: считывание последовательно зарядов пикселов, последовательное их аналого-цифровое преобразование, формирование цифрового кадра в цифровом процессоре кадра.
Прототипом устройства принят матричный приемник изображения, включающий объектив и матричный фоточувствительный прибор с зарядовой инжекцией /ПЗИ/ [1, с.832], каждый элемент матрицы которого из двух МОП-емкостей, из которых одна присоединена к горизонтальной шине, вторая - к вертикальной шине. Накопленные пикселами заряды считываются построчно и с выхода матрицы поступают в устройство аналого-цифрового преобразования /АЦП/, последовательно преобразующее аналоговые сигналы пикселов в коды. Матрица ПЗИ включает для считывания схему генерации вертикальных считывающих импульсов и схему генерации горизонтальных считывающих импульсов. Каждый элемент матрицы преобразует интенсивность поступающего в него света в напряжение, пропорциональное интенсивности света, с выхода матрицы сигналы последовательно поступают в АЦП, преобразующий их в коды, поступающие в процессор цифрового кадра, который формирует окончательное оцифровывание кадра. Процесс оцифровывания идет по цепочке: элемент матрицы - АЦП - процессор цифрового кадра. Недостатками прототипа являются те же, что перечислены выше, к ним добавляется нарушение цветового баланса относительно света, освещающего объект съемки, из-за расположения фотодатчика на трех уровнях глубины кремния в ПЗИ, снижающего величины зарядов на разных глубинах.
Цель изобретения - оцифровывание кадра параллельным и синхронным преобразованием в коды непосредственно световых излучений от объекта съемки, поступающие на все элементы матрицы, сведение процесса оцифровывания изображения в одно преобразование “облучение матрицы - оцифрованный кадр”.
Техническими результатами являются: оцифровывание изображения кадра со скоростью распространения света, сокращение цепочки оцифровывания до одного преобразования во всех элементах матрицы “яркость излучения - код” и увеличение глубины цвета свыше 24 бит.
Заявляемый способ оцифровывания изображения состоит в выполнении процесса “облучение матрицы - оцифрованный кадр” параллельным и синхронным получением кодов всех элементов матрицы преобразователями “яркость излучения - код”, объединенными в триады по числу основных цветов R, G, B. Оцифрованное изображение кадра не требует доработок в цифровом процессоре, входные условия для всех элементов матрицы идентичные, что обеспечивает полный цветовой баланс цветов изображения кадра относительно света, облучающего объект съемки.
Сущность заявляемого способа состоит в получении оцифрованного изображения кадра на выходах самой матрицы приемника изображения.
Сущность заявляемого устройства оцифровывания изображения, содержащего объектив и матрицу приемника изображения, в том, что каждый элемент матрицы включает по числу основных цветов /R, G, B/ три преобразователя “яркость излучения - код” и в устройство введены первый-третий блоки ключей, ключей в которых по числу разрешения кадра, и первый-третий блоки регистров, регистров в которых также по числу разрешения кадра.
6
6
7
7
7
6
7
7
6
7
6
к
д
от
1-10
1-10
от
1-10
1-7
8-10
10
1
1
10
1-10
от
д
д
выд
Устройство 1 оцифровывания кадра на фиг.1 содержит объектив 2, приемник 3 изображения, являющийся датчиком сигналов трех цветов R, G, B, приемная сторона которого расположена в фокальной плоскости объектива 2, и содержит матрицу элементов числом 10 соответственно разрешения кадра 1000 строк × 1000 отчетов в строке, три группы /по числу цветов/ выходов с первого по 10×10 которых подключены к входам с первого по 10 соответственно блоков 4, 5, 6 ключей, выходы 1-10 с которых подключены к входам 1-10 соответственно блоков 7, 8, 9 регистров, и генератор 10 управляющих сигналов, выдающий с первого выхода импульсы частоты кадров U, подключенный параллельно к сигнальным входам ключей в блоках 4-6 ключей, со второго выхода выдающий импульсы частоты дискретизации U кодов, подключенный ко вторым управляющим входам блоков 7/-9 регистров, с третьего выхода выдающий импульсы частоты кадров с периодом длительности кадра на первые управляющие входы U ключей 19 в блоках 7, 8, 9 регистров /фиг.5/, выходы которых являются выходами устройства 1 оцифровывания кадра. Матрица приемника 3 изображения состоит из 10 элементов /1000×1000/. Изображение проецируется объективом 2 на приемную поверхность приемника 3 изображения. Каждый элемент матрицы представлен /фиг.3/ триадой из трех преобразователей “яркость излучения - код” /фиг.4/: левый нижний преобразователь принимает красное R излучение /фиг.3/, верхний преобразователь принимает зеленое G излучение, правый нижний принимает излучение синего В цвета. Преобразователи “яркость излучения - код” выполнены идентично /фиг.4/, каждый включает непрозрачный корпус 11 формой прямоугольного параллелепипеда из изоляционного материала, во входном /переднем/ торце корпуса расположен цветной светофильтр 12 одного из основных цветов R, G, B, за цветным светофильтром в непрозрачной перегородке 13 закреплен микрообъектив 14, по оптической оси которого под углом 45° к ней последовательно и на соответствующем расстоянии друг от друга размещены и жестко закреплены по числу разрядов в коде с первого по десятый полупрозрачные микрозеркала 15. На стороне корпуса 11, к которой повернуты микрозеркала 15, расположены десять соответствующих фотоприемников 16, принимающие отраженное полупрозрачными микрозеркалами 15 излучение и выдающие электрические сигналы на управляющие входы U ключей 17 в блоках 4-6 ключей. Световой поток после цветного светофильтра 12 поступает в микрообъектив, направляющий облучение по своей оси на центры полупрозрачных зеркал 15. Принцип преобразователя “яркость излучения - код” в том, что каждое впереди расположенное микрозеркало 15 пропускает на следующее за ним поток света, ослабленный в два раза, что соответствует принципу двоичного кода. В полупрозрачных микрозеркалах 15 имеются светоделительные покрытия, выполняющие отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5 [2, с.223]. Техническим результатом преобразователя является получение кода входного потока освещения /непрерывного или импульсного/ со скоростью распространения света. Двоичные коды представляются с преобразователей последовательностью сигналов единиц в разрядах кодов, соответствующих микрозеркалам, через которые поток света прошел, в разрядах через микрозеркала которых свет не прошел, будут нули, например код 0001111111: излучение прошло через микрозеркала 15, и свет не прошел через микрозеркала 15, старшему разряду кода соответствует полупрозрачное зеркало 15, младшему разряду соответствует микрозеркало 15, старшему разряду кода соответствует фотоприемник 16, и младшему разряду кода - фотоприемник 16. Для получения в разрядах кодов импульсов с заранее заданными параметрами сигналы с фотоприемников 16 подменяются импульсами с нужными параметрами по амплитуде и длительности применением ключей числом 10 соответственно разрешения кадра и числа разрядов в коде. Каждый преобразователь “яркость излучения - код” обслуживается десятью ключами 17 /фиг.4/. Ключей в блоках 4-6 по 10. Сигнал с фотоприемника открывает свой ключ, через который с сигнального входа проходит импульс с нужными параметрами по амплитуде и длительности с первого выхода блока 10. За кадр через ключ проходит один импульс. Частота кадров задается генератором 10 управляющих сигналов. При выполнении генератора 10 нужно предусмотреть выдачу разных частот кадров от 25 Гц до 10 кГц, а длительность импульса при разных частотах должна быть одна, которая бы удовлетворяла все частоты, т.е. 100 мкс. Форматы кадра в приемнике 3 изображения могут быть различны по размерам, от формата кадра зависят размеры элементов матрицы: при формате кадра 36×36 мм и разрешении 1000×1000 размеры одного элемента матрицы /триады преобразователей/ составят 36×36 мкм //, поперечные размеры корпуса преобразователя должны быть 18×18 мкм /фиг.3/. Изготовление триад и преобразователей таких размеров возможно с привлечением к этому нанотехнологии. Расположение триад в строках приемника 3 изображения приведено на фиг.2. Коды в параллельном виде синхронно с выходов ключей блоков 4-5 поступают в блоки 7-9 регистров /фиг.1/. Блоки регистров выполнены идентично /фиг.5/, каждый содержит десятиразрядные регистры 18 по числу разрешения матрицы 10 и последовательно соединенные ключ 19 и распределитель 20 импульсов. Информационными входами блока регистров являются первый - десятый входы всех регистров 18, всего входов 10, выходами являются поразрядно объединенные первый - десятый выходы всех регистров 18. Первым управляющим входом является первый управляющий U вход ключа 19, подключенный к третьему выходу блока 10, вторым управляющим входом является сигнальный вход ключа 19, подключенный к второму выходу U блока 10. Ключ 19 открывается передним фронтом импульса частоты кадров на длительность кадра, закрывается задним фронтом импульса частоты кадров. При открытом ключе 19 на вход распределителя 20 импульсов поступают импульсы U дискретизации кодов, сигналы с выходов распределителя 20 импульсов являются первыми - 10 сигналами U кодов последовательно из регистров  на воспроизведение изображения или на регистрацию в соответствующее устройство памяти.
Работа устройства оцифровывания кадра
д
Объектив 2 проецирует изображение объекта съемки на входы элементов матрицы приемника 3 изображения. Преобразователи “яркость излучения - код” выдают синхронно и параллельно десятиразрядные коды в блоки 4-6 ключей. Сигналы кодов открывают ключи в блоках 4-6, через открытые ключи с первого выхода блока 10 проходят импульсы частоты кадров длительностью 100 мкс и становятся импульсами в разрядках кодов. С выходов ключей блоков 4-6 коды кадра поступают синхронно в блоки 7-9 регистров. В результате за 100 мкс осуществлено оцифровывание изображения кадра. С блоков 7-9 регистров коды видеосигналов R, G, B в параллельном виде последовательно выдаются сигналами дискретизации U на выход устройства оцифровывания кадра. Частота сигналов дискретизации составляет:
д
к
к
6
6
f=10×f=10·f МГц,
к
где f - частота кадров.
Заявляемый способ представляет новую технологию оцифровывания изображения кадра в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах, выполняя параллельное и синхронное преобразование интенсивности облучения элементов матрицы, представленные триадами преобразователей “яркость излучения - код” трех базовых цветов R, G, B, в двоичные коды, сосредотачиваемые за первый период кадра в блоках 7-9 регистров, и начиная со второго кадра десятиразрядные коды поступают на воспроизведение изображения оцифрованного кадра или в устройство памяти. Процесс оцифровывания кадра определяется длительностью одного импульса разряда кода, в описанном варианте 100 мкс.
Источники информации
1. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Аппаратные средства РС. 5-е изд-е, СПб, 2004, с.830-832.
2. Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов. Теория оптических систем. М, 1973, с.223.