ВИДЕОСИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЯ
VIDEO SYSTEM ON CHIP FOR IMAGE STABILISATION

Предлагаемое техническое решение относится к области телевидения и цифровой фотографии, в частности к устройствам стабилизации изображения.
Известно устройство, в котором используется прямой метод измерения смещения, и с целью уменьшения задержек на формирование сигнала смещения измерение производят не по сигналу кадра основной фотоприемной матрицы, а по сигналу дополнительного фотоприемника [Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н.Еськов, Ю.П.Ларионов, В.А.Новиков и др. Под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова. - Л., Машиностроение, 1988, стр.37]. При этом для оценки смещения изображения используется одноэлементный фотоприемник, также как и основная фотоприемная матрица, расположенный в фокальной плоскости объектива, сигналы с которого обрабатываются автокорреляционным методом [Автоматическая стабилизация оптического изображения / Д.Н.Еськов, Ю.П.Ларионов, В.А.Новиков и др. Под ред. Д.Н.Еськова, В.А.Новикова. - Л., Машиностроение, 1988, стр.124].
Основным недостатком данного устройства является измерение смещения лишь при поступательном движении изображения относительно фотоприемника, так как при вибрации (возвратно-поступательном движении) на одноэлементный фотоприемник может проецироваться участок кадра с постоянной освещенностью. Данное устройство может найти ограниченное применение в видеоинформационных системах с достаточно равномерным движением основания, например, в некоторых авиакосмических системах мониторинга [Бузников А.А., Купянский А.В. Динамическое совмещение полутоновых аэрокосмических и графических изображений. Изв. Вузов, сер. «Геодезия и аэрофотосъемка», 1993, №3, с.102-107].
Наиболее близкой по своей технической сути к заявляемому является система стабилизации изображения, описанная в патенте РФ №2384967 (опубл. 20.03.2010), содержащая фотоприемный модуль, включающий матричный фотоприемник, вплотную к которому вдоль двух его взаимно перпендикулярных граней расположены два линейных фотоприемника. На фотоприемный модуль проецируется изображение с помощью объектива. Выход подвижного элемента соединен с фотоприемным модулем или с элементами объектива, а вход подвижного элемента соединен с выходом блока управления, вход которого подключен к выходу блока измерения смещения изображения, при этом первый и второй входы последнего подключены соответственно к выходам линейных фотоприемников.
Недостатком прототипа является пространственное разделение фотоприемной и вычислительной части устройства, что приводит к появлению дополнительных шумов и наводок за счет паразитного влияния проводников. Кроме того, единичные каналы считывания информации с линейных фотоприемников и, как следствие, относительно медленные измерения смещения существенно ограничивают точность и частотный диапазон измеряемых смещений. Данные ограничения могут привести к ситуации, когда возможности по перемещению подвижного устройства могут превзойти возможности системы измерения смещения.
Техническим результатом заявляемого технического решения является улучшение характеристик целого ряда параметров: чувствительности к смещению изображения, диапазона компенсируемых смещений и ускорений смещения, точности измерения смещения и массогабаритных характеристик устройства.
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
Это достигается тем, что видеосистема на кристалле для стабилизации изображения, содержащая основной матричный фотоприемный массив и два вспомогательных взаимно перпендикулярных линейных фотоприемных массива (с увеличенной площадью пиксела), подвижный элемент, связанный с объективом или основанием видеосистемы на кристалле, входная шина которого соединена с выходной шиной блока управления, отличается тем, что в видеосистему на кристалле дополнительно введены первое и второе оперативные запоминающие устройства, входы N…N которых соединены с соответствующими выходами N…N вспомогательных взаимно перпендикулярных линейных фотоприемных массивов, выходы N…N которых также соединены с входами N…N первого и второго контроллеров вычисления корреляции соответственно, вторые входы M…M которых соединены с соответствующими выходами первого и второго оперативных запоминающих устройств, при этом выходы первого и второго контроллеров вычисления корреляции соединены с входами блока управления.
Представленные чертежи поясняют суть предлагаемого технического решения.
На Фиг.1 изображена структурная схема системы стабилизации изображения с пространственным разделением считывания основного изображения с основного матричного фотоприемника и двух линейных фотоприемников (а) и примерное соотношение размеров пикселов основного матричного фотоприемника и дополнительных линейных фотоприемников (б) (прототип).
На Фиг.2 - пример реализации заявляемого устройства - структурная схема видеосистемы на кристалле для стабилизации изображения с распараллеливанием считывания видеоинформации из вспомогательных фотоприемных массивов.
1
k
1
k
1
k
1
k
1
k
Видеосистема 10 на кристалле для стабилизации изображения содержит основной матричный фотоприемный массив 11, вплотную к которому вдоль двух его взаимно перпендикулярных граней располагаются два вспомогательных взаимно перпендикулярных линейных фотоприемных массива 12 и 13 (с увеличенной площадью пиксела). На этом же кристалле расположены первое и второе операционные запоминающие устройства 14 и 15, входы N…N которых соединены с соответствующими выходами N…N вспомогательных взаимно перпендикулярных линейных фотоприемных массивов 12 и 13. Видеосистема 10 на кристалле содержит также первый и второй контроллеры 16 и 17 вычисления корреляции, входы N…N которых соединены с соответствующими выходами N…N вспомогательных фотоприемных массивов 12 и 13. Вторые входы M…M двух контроллеров 16 и 17 вычисления корреляции соединены с соответствующими выходами первого и второго оперативных запоминающих устройств 14 и 15. Выходы первого 16 и второго 17 контроллеров вычисления корреляции соединены с входами блока 18 управления. На блоки 11, 12 и 13 (фотоприемная часть видеосистемы на кристалле) проецируется изображение с помощью объектива 20. Входная шина подвижного элемента 30 соединена с выходной шиной блока 18 управления. Выходная шина подвижного элемента 30 соединена с подвижной линзой объектива 20 или с подвижным основанием видеосистемы 10 на кристалле. Подвижная линза объектива 20 и подвижное основание видеосистемы 10 на кристалле могут включать, например, пьезоэлектрический микродвигатель.
Работает видеосистема на кристалле для стабилизации изображения следующим образом.
Сигналы с вспомогательных линейных фотоприемных массивов 12 и 13, работающих с существенно большей частотой строк по сравнению с кадровой частотой основного матричного фотоприемного массива 11, передаются через множество параллельных каналов связи на контроллеры 16 и 17 вычисления взаимной корреляции сигналов соседних строк, по сигналам которых блок 18 управления вырабатывает управляющие сигналы для подвижного элемента 20. В контроллерах вычисления корреляции 16 и 17 вычисляется взаимная корреляция сигналов текущей и предыдущей строки для смещения, выраженного в количестве пикселов вспомогательных линейных фотоприемных массивов. Высокая строчная частота вспомогательных линейных фотоприемных массивов 12 и 13 обеспечивает значение смещения изображений на них в соседних строках, меньшее одного пиксела. Для высокоточного измерения смещения изображения по взаимокорреляционной функции, являющейся четной, ее вычисления в контроллерах 16 и 17 ведутся для нечетного количества значений смещения. Для достижения высокой субпиксельной точности измерения смещения осуществляется вычисление аргумента максимума интерполированной взаимокорреляционной функции. Измеренные значения смещений преобразуются блоком 18 управления в сигналы управления, под воздействием которых подвижный элемент 30 перемещает саму видеосистему 10 на кристалле (или одну из линз объектива 20) так, что вызванное внешним воздействием смещение изображения компенсируется. Этим обеспечивается накопление сигнала основным матричным фотоприемным массивом 11 без существенного смаза.
Отличие заявленного устройства от прототипа заключается в том, что в составе видеосистемы на кристалле для стабилизации изображения помимо фотоприемной части системы стабилизации представлена вся вычислительная, запоминающая и управляющая часть, а именно: контроллеры вычисления корреляции, операционные запоминающие устройства, блок управления. Кроме того, по сравнению с прототипом, предложено распараллеливание считывания сигналов с линейных фотоприемников.
Реализуемость заявляемой видеосистемы на кристалле подтверждается значительным количеством производимых видеосистем на кристалле, объединяющих на одном кристалле фотоприемные массивы, процессоры, программируемые контроллеры и операционные усилители. Это повышает качество формируемой видеоинформации без увеличения размеров видеокамеры.
Особенностями предлагаемого устройства являются:
- Целесообразность реализации системы измерения смещения изображения в составе системы стабилизации изображения как СБИС класса видеосистема на кристалле, с реализацией фотоприемной, запоминающей, вычислительной и управляющей части системы на одном кристалле;
- Возможность повышения частоты измерения смещения за счет распараллеливания считывания сигналов с линейных фотоприемников.
- Возможность реализации данной системы измерения смещения в составе видеосистемы на кристалле позволяет избавиться от дополнительного шума и наводок за счет уменьшения паразитного влияния проводников благодаря уменьшению сопротивления и индуктивности проводников;
- Возможность реализации вычислителя внутри кристалла и множественное считывание с линейных фотоприемников помимо увеличения скорости измерения смещения позволяет добиться увеличения точности измерения за счет применения специальных алгоритмов ЦОС, различных методов интерполяции результатов измерений;
- Возможность сокращения вычислительной сложности устройства за счет вычисления взаимной корреляции по упрощенным алгоритмам, основанным не на произведениях, а на разностях сравниваемых сигналов.