ВИДЕОСИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ С АДАПТАЦИЕЙ К СЮЖЕТУ
VIDEO-ON-CHIP SYSTEM WITH ADAPTATION TO PLOT

Изобретение относится к области телевидения и цифровой фотографии, в частности к устройствам регистрации видеоизображений.
Известен матричный фотоэлектрический прибор с зарядовой связью ELCM1077, включающий фоточувствительную область из 1160 строк по 1040 элементов, состоящую из двух идентичных секций по 580 строк, образующих единый массив. Каждая секция имеет регистр считывания, в котором расположены два выходных устройства с плавающей диффузионной областью, расположенных на противоположных концах регистра, при этом одно выходное устройство двухкаскадное с частотой считывания 1 МГц и шумом считывания до 20 , второе - однокаскадное малошумящее с частотой считывания 200 кГц и шумом считывания до 10 . Устройство осуществляет преобразование светового потока в электрический заряд и передачу заряда на выбранные выходные устройства регистров считывания.
Недостатками известного устройства являются отсутствие возможности выбора произвольной области считывания и отсутствие режима бинирования.
Наиболее близким по своей технической сути к заявляемому устройству является устройство, описанное в статье «А High-Speed CMOS Image Sensor with Column-Parallel Single Capacitor CDSs and Single-slope ADCs» с коллективом авторов LI Quanliang, SHI Cong, WU Nanjian (The State Key Laboratory for Superlattices and Microstructures, Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, P.R. China) International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging 2011: Advances in Imaging Detectors and Applications. Устройство содержит фоточувствительный массив размером 256×256 элементов, массив узлов двойной коррелированной выборки, массив программируемых усилителей мощности, массив столбцовых интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, блок управления, блок хранения и вывода данных. В фоточувствительном массиве световой поток преобразуется в электрический сигнал, поступающий на массив узлов двойной коррелированной выборки, далее усиливаемый в массиве программируемых усилителей мощности. После усилителей мощности сигнал поступает на массив столбцовых интегрирующих аналого-цифровых преобразователей, после чего цифровой видеосигнал поступает на блок хранения и вывода данных.
Недостатком прототипа является ограниченный динамический диапазон датчика изображений, т.к. для аналого-цифрового преобразования сигнала используется массив восьмиразрядных столбцовых аналого-цифровых преобразователей.
Техническим результатом является увеличение динамического диапазона датчика изображений для обнаружения малоконтрастных объектов.
Другим техническим результатом заявляемого устройства является повышение кадровой частоты фотоприемной матрицы.
Это достигается тем, что видеосистема на кристалле с адаптацией к сюжету, включающая массив фотоэлементов, регистр выбора строки, соединенный с массивом фотоэлементов, массив столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности, соединенный с выходами массива фотоэлементов, горизонтальный выходной регистр, соединенный с массивом столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности, и выходное устройство, отличается тем, что в видеосистему на кристалле с адаптацией к сюжету дополнительно введены массив столбцовых аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности, входы которого соединены с выходами массива фотоэлементов, отдельный горизонтальный выходной регистр, входы которого соединены с выходами массива столбцовых аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности, блок коммутации, два входа которого соединены с выходами горизонтальных выходных регистров, блок бинирования, один из входов которого соединен с выходом блока коммутации, блок оценки и усреднения яркости и контраста, вход которого соединен с выходом блока бинирования, блок управления, вход которого соединен с выходом блока оценки и усреднения яркости и контраста, блок выбора режима, выход которого соединен с третьим входом блока коммутации, блок управления бинированием, выход которого соединен с вторым входом блока бинирования, выход блока бинирования соединен с входом выходного устройства.
Такая видеосистема автоматически выбирает цифровой сигнал видеоизображения с массива аналого-цифровых преобразователей необходимой разрядности, в зависимости от сюжета, что позволяет получать видеосигнал высокой кадровой частоты при достаточном контрасте объекта, либо видеосигнал с расширенным динамическим диапазоном при малоконтрастных объектах.
Представленный чертеж поясняет суть предлагаемого технического решения.
На чертеже изображена структурная схема видеосистемы на кристалле с адаптацией к сюжету.
Видеосистема на кристалле с адаптацией к сюжету, изображенная на чертеже, включает в себя массив 1 фотоэлементов, регистр 2 выбора строки, выходы R1…Rn которого подключены к строкам массива 1 фотоэлементов, массив 3 столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности (8-10 бит), входы A1…An которого подключены к массиву 1 фотоэлементов, массив 4 столбцовых аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности (12-16 бит), входы которого В1…Вn также подключены к массиву 1 фотоэлементов, горизонтальный выходной регистр 5, входы DA1…DAn которого подключены к выходам массива 3 аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности, горизонтальный выходной регистр 6, входы DB1…DBn которого подключены к выходам массива 4 аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности, блок 7 коммутации, входы которого соединены с выходами горизонтальных выходных регистров 5 и 6, блок 8 оценки и усреднения яркости и контраста, блок 9 управления, вход которого соединен с выходом блока 8 оценки и усреднения яркости и контраста, блок 10 выбора режима, вход которого соединен с выходом блока 9 управления, блок 11 управления бинированием, вход которого также соединен с выходом блока 9 управления, блок 12 бинирования, один из входов которого соединен с выходом блока 7 коммутации, другой - с выходом блока 11 управления бинированием, один из выходов блока 12 бинирования соединен с входом блока 8 оценки и усреднения яркости и контраста, выходное устройство 13, вход которого соединен с вторым выходом блока 12 бинирования.
В видеосистеме на кристалле с адаптацией к сюжету (см. чертеж) световой поток проецируется на массив 1 фотоэлементов. Аналоговый сигнал A1…An с массива 1 фотоэлементов поступает на массив 3 столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности (8-10 бит), аналоговый сигнал В1…Вn с массива 1 фотоэлементов поступает на массив 4 столбцовых аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности (12-16 бит). Регистр 2 выбора строки позволяет выбрать вертикальный размер области изображения, считываемой с массива 1 фотоэлементов. Цифровые сигналы DA1…DAn и DB1…DBn с массивов 3 и 4 столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой и высокой разрядности поступают на горизонтальные выходные регистры 5 и 6 соответственно. Далее сигналы поступают на входы блока 7 коммутации, с выхода которого один из сигналов поступает на блок 12 бинирования. С выходов блока 12 бинирования сигнал поступает на выходное устройство 13 и одновременно на вход блока 8 оценки и усреднения яркости и контраста. Блок 8 оценки и усреднения яркости и контраста производит анализ изображения по заданным яркостно-контрастным параметрам и отправляет необходимую информацию на блок 9 управления. По пришедшей информации блок 9 управления отправляет на блок 10 выбора режима команду переключения блока 7 коммутации на один из горизонтальных выходных регистров (5 или 6). Также блок 9 управления отправляет информацию о режиме бинирования на блок 11 управления бинированием. Блок 12 бинирования переключается в выбранный режим командой от блока 11 управления бинированием. С выхода блока 12 бинирования сигнал видеоизображения поступает на выходное устройство 13.
Отличие заявленного устройства от прототипа заключается в том, что на одном кристалле, помимо массива фотоэлементов, регистра выбора строки, массива столбцовых аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности, горизонтального выходного регистра и выходного устройства, дополнительно размещены массив аналого-цифровых преобразователей высокой разрядности, отдельный горизонтальный выходной регистр, блок коммутации, блок бинирования, блок оценки и усреднения яркости и контраста, блок управления, блок выбора режима и блок управления бинированием. В результате, на одном кристалле размещается полноценная видеосистема, позволяющая автоматически переключать считывание цифрового сигнала видеоизображения необходимой разрядности с одного из горизонтальных выходных регистров, что обеспечивает адаптацию к наблюдаемому сюжету. Наличие автоматического выбора сигнала позволяет получать видеосигнал высокой кадровой частоты при достаточном контрасте объекта, в этом случае блок коммутации подключает к блоку бинирования сигнал, прошедший аналого-цифровой преобразователь низкой разрядности, а при необходимости дополнительного увеличения кадровой частоты производится бинирование изображения в блоке бинирования, при этом размер изображения уменьшается в целое число раз и одновременно повышается кадровая частота. В случае необходимости увеличения динамического диапазона видеоизображения при малоконтрастных объектах блок коммутации подключает к блоку бинирования сигнал, прошедший аналого-цифровой преобразователь высокой разрядности. Для дальнейшего расширения динамического диапазона также служит блок бинирования с переменным целочисленным коэффициентом бинирования.