Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца
METHOD OF GENERATING A VIDEO SIGNAL IN A TELEVISION-COMPUTER SYSTEM FOR MONITORING OF INDUSTRIAL PRODUCTS HAVING THE SHAPE OF A CIRCULAR RING

Предлагаемое изобретение на способ относится к телевизионно-компьютерной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах, которые выполнены на базе «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), а предназначены для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца.
К таким изделиям могут быть отнесены диски, колеса, фрезы, а также другие детали и принадлежности многочисленных рабочих и транспортных машин. Например, зубчатое колесо - основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями, входящими в зацепление с зубьями другого колеса [1, с. 174].
r
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца [2], заключающийся в том, что в телевизионной камере оптическое изображение контролируемого объекта проецируют на мишень фотоприемника, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), причем кристалл фотоприемника (сенсора) имеет форму кругового кольца и содержит в его пределах последовательно связанные между собой зарядовой связью «кольцевую» мишень, «кольцевую» секцию памяти, «кольцевой» регистр сдвига и преобразователь «заряд - напряжение» (БПЗН) с организацией «плавающая диффузия», причем линейки светочувствительных элементов мишени и линейки экранированных от света элементов секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига, причем всю площадь мишени фотоприемника занимают линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти, площадь светочувствительных элементов от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии до максимальной величины, не превышающей площадь элемента секции памяти; накапливают «кольцевое» зарядовое изображение информационного кадра на светочувствительных элементах мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени, выполняя параллельный перенос зарядов из мишени в секцию памяти с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре сдвига, формируют на выходе БПЗН напряжение аналогового сигнала «кольцевого» изображения контролируемого объекта, причем в процессе получения видеосигнала сенсора управляют площадью считывающей апертуры за счет того, что от строки к строке изменяют период управляющих импульсов T, (импульсов сброса) для БПЗН по соотношению:
р
где Т - период считывания элемента в «кольцевом» фотоприемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике, равна отношению:
1
m
где Δ и Δ - соответственно площадь светочувствительного элемента для первой и текущей строк считывания в «кольцевом» фотоприемнике, обеспечивая одинаковую величину площади считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» кадра фотоприемника, формируют на выходе «видео» телевизионной камеры цифровой телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, при этом в компьютере для реализации возможности контроля объекта целиком (полностью) выполняют электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора, а для реализации возможности контроля отдельных участков этого объекта «кольцевой» кадр считывают из оперативной памяти компьютера при помощи т «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению:
где γ - величина захватываемого углового пространства в градусах для участка объекта контроля,
причем величина m является одновременно и показателем кратности увеличения масштаба изображения для участка объекта контроля по отношению к его полному изображению.
Недостаток прототипа способа формирования видеосигнала -ограниченная степень интеграции телевизионной камеры из-за применяемой технологии ПЗС для изготовления ее «кольцевого» сенсора, принципиально не позволяющей разместить на кристалле электронное «обрамление» фотоприемника.
Здесь под этим термином конкретно подразумевается блоковая совокупность телевизионной камеры, включающая в себя блок «кольцевой» развертки видеосигнала, сигнальный процессор, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и блок формирования апертуры (БФА).
Задачей изобретения является повышение степени интеграции телевизионной камеры за счет выполнения «кольцевого» сенсора по технологии КМОП и с размещением на его кристалле электронного «обрамления» фотоприемника.
m
Поставленная задача в заявляемом способе формирования видеосигнала решается тем, что, как и в прототипе [2], в телевизионной камере оптическое изображение контролируемого объекта проецируют на мишень «кольцевого» фотоприемника, которая содержит линейки светочувствительных пикселов, расположенные вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии, причем число светочувствительных пикселов в каждой «кольцевой» строке мишени одинаково, а их площадь от строки к строке различна, увеличиваясь по мере движения к внешней периферии сенсора; формируют на выходе «видео» телевизионной камеры цифровой телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, при этом в компьютере для реализации возможности контроля объекта целиком (полностью) выполняют электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора, а для реализации возможности контроля отдельных участков этого объекта «кольцевой» кадр считывают из оперативной памяти компьютера при помощи m «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (3), но в отличие от прототипа [2], сенсор выполняют на кристалле, изготовленном по технологии КМОП, причем мишень сенсора состоит из фотодиодных активных пикселов, каждый из которых имеет усилитель с коэффициентом усиления K, а также встроенный АЦП, обеспечивающий передачу видеосигнала активного пиксела на свою «радиальную» шину видео, при этом все они в совокупности объединяют активные пикселы мишени в «радиальные» столбцы, причем управление АЦП для пикселов, расположенных вдоль каждой «кольцевой» строки сенсора, осуществляется при помощи отдельно взятой «кольцевой» строчной шины, общее количество которых определяет число строк в сенсоре, а количество «радиальных» 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: «кольцевой» регистр кадровой развертки, осуществляющий выбор «кольцевой» строки; «кольцевой» коммутатор видеосигналов, содержащий коммутаторы видеосигнала для каждого «радиального» столбца, которые управляются с соответствующего выхода «кольцевого» мультиплексора строчной развертки, и обеспечивают передачу видеосигнала на выходе каждой «радиальной» шины видео на «кольцевую» шину видео, выход которой является выходом «видео» фотоприемника и одновременно выходом «видео» телевизионной камеры, причем коэффициент усиления K активного пиксела для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора изменяется по соотношению:
1
m
где Δ и Δ - соответственно светочувствительная площадь активного пиксела для первой и текущей «кольцевой» строки считывания в «кольцевом» сенсоре, обеспечивая одинаковую величину считывающей апертуры в пределах всего «кольцевого» растра изображения.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого способа не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Важно отметить следующее. Светочувствительная площадь пикселов «кольцевой» мишени заявляемого фотоприемника, как и для прототипа [1], от строки к строке различна. Это вызывается необходимостью для «кольцевого» фотоприемника, имеющего одинаковое число пикселов в каждой строке, выравнивания разрешающей способности в пределах кадра путем обеспечения одинаковой величины технологического (производственного) зазора между светочувствительными элементами.
Но при этом, как в заявляемом решении, так и в прототипе [2], не происходит межстрочного нарушения чувствительности сенсора по следующим обстоятельствам.
m
m
Параметр считывающей апертуры для всех пикселов каждой текущей строки «кольцевого» кадра определяется произведением коэффициента усиления K пиксела на величину его светочувствительной площади Л.
Как следует из соотношения (4), этот показатель остается постоянным (неизменным) для всех светочувствительных пикселов заявляемого фотоприемника. Не меняется и величина шумовой «дорожки» для каждого активного пиксела сенсора, что является обязательным условием для реализации чувствительности фотоприемника и его отношения сигнал/шум.
Отметим, что в прототипе [2] этот принцип также соблюдается, но реализуется по другому методу, см. опубликованные выше соотношения (1) и (2).
Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 изображена возможная структурная схема устройства для выполнения сетевого компьютерного решения, реализующего заявляемый способ формирования видеосигнала; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника, реализующая заявляемый способ; на фиг. 3 - подробности этой организации применительно к отдельно взятому «радиальному» столбцу; на фиг. 4 - реализация зубчатой передачи, состоящей из трех зубчатых колес; на фиг. 5 - иллюстрация выполнения задачи по электрическому вписыванию изображения «кольцевого» кадра в прямоугольный растр компьютерного монитора; на фиг. 6 - иллюстрация выполнения задачи по конвертированию одного «кольцевого» кадра в шесть «прямоугольных» кадров.
Устройство на фиг. 1 содержит телевизионную камеру 1, компьютер 2 оператора в качестве сервера, роутер (российское название прибора - маршрутизатор) в позиции 3, компьютер 4 локального пользователя для работы в локальной сети, модем 5 для передачи видеосигнала в сеть Интернет и компьютер 6 удаленного пользователя для получения видеоинформации из «облака» Интернета. На фиг. 1 позиция 7 присвоена объекту контроля.
Телевизионная камера 1 (см. фиг. 1) состоит из последовательно расположенных и оптически связанных объектива 1-1 и «кольцевого» фотоприемника 1-2. Выход цифрового телевизионного сигнала, формируемого в сенсоре 1-2, является и выходом телевизионной камеры 1.
На материнской плате компьютера 2 оператора установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера в автоматическом режиме; электрическое вписывание изображения «кольцевого» кадра из оперативной памяти в прямоугольный растр компьютерного монитора в режиме 1 работы программы; считывание «кольцевого» кадра из оперативной памяти при помощи m «прямоугольных» кадров, число которых удовлетворяет соотношению (3) в режиме 2 этой программы.
«Кольцевой» фотоприемник 1-2 (см. фиг. 2) выполнен по технологии КМОП и содержит на общем кристалле «кольцевую» мишень 1-2-1 сенсора, «кольцевой» регистр 1-2-2 кадровой развертки, «кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов и «кольцевой» мультиплексор 1-2-4.
Как показано на фиг. 2, активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы, которые расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца.
m
Каждый активный пиксел мишени (см. фиг. 3) имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1-1, усилитель 1-2-1-2 с коэффициентом усиления K для каждой текущей «кольцевой» строки сенсора и АЦП 1-2-1-3. «Кольцевой» коммутатор 1-2-3 видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-3-1 видеосигнала, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных «кольцевой» шиной видео 1-2-3-2.
Отметим, что показанная на фиг. 2 форма светочувствительной площади пиксела в виде прямоугольника, а на фиг. 3 - латинской буквы L - являются условными. На практике электроды зарядового накопления активных пикселов мишени сенсора, совпадающие с площадью их светочувствительной площади, могут быть выполнены совершенно иначе, например, с геометрической формой в виде части кругового кольца.
Управление АЦП 1-2-1-3 пиксела для каждой «кольцевой» строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-2-1-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки.
Видеосигнал с выхода каждого АЦП 1-2-1-3 для каждого активного пиксела отдельного взятого «радиального» столбца передается на «радиальную» шину видео 1-2-1-5. Далее при помощи «своего» ключевого МОП-транзистора коммутатора 1-2-3-1, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-4, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на «кольцевую» шину видео 1-2-3-2, а затем транслируется по ней на выход сенсора.
То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других радиально расположенных столбцов «кольцевой» мишени 1-2-1 предлагаемого сенсора.
Отметим, что на фиг. 2 пунктирные стрелки показывают управление «кольцевыми» строчными шинами 1-2-1-4 фотоприемника со стороны «кольцевого» регистра 1-2-2 кадровой развертки. То, что здесь, как и на фиг. 3, изображены лишь четыре строчные шины является условностью чертежа. Как упоминалось ранее, число шин 1-2-1-4 соответствует показателю действительного числа «кольцевых» строк в заявляемом сенсоре.
Поясним дополнительно на фиг. 2 и другое. Стрелки с непрерывными линиями отмечают передачу сигнала изображения в сенсоре по «радиальным» шинам видео 1-2-1-5 в направлении к «кольцевому» коммутатору 1-2-3 видеосигналов.
В результате в «кольцевом» растре последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой «кольцевой» строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала нового сенсора.
Благодаря принятой для изготовления предлагаемого сенсора технологии КМОП, обеспечивается возможность интегрировать на один общий кристалл не только фотоприемник с АЦП для каждого активного пиксела, но и блоки цифровой развертки телевизионной камеры, которые могут быть реализованы с существенным понижением их энергопотребления.
Необходимо признать, что концепция матричного (прямоугольного) фотоприемника с активным пикселом, встроенным в него АЦП и цифровым видеосигналом на выходе, который предполагалось выполнить по технологии КМОП путем реализации метода «координатная адресация», была разработана американскими специалистами в «нулевые» двухтысячные годы. Об этом сообщалось и в отечественной монографии [3, с. 67, рис. 1.21]. Однако схемотехническая организация на кристалле КМОП «кольцевого» сенсора с аналогичными возможностями не предлагалась.
Следует отметить, что в компьютерной программе по реализации электрического вписывания «кольцевого» кадра в «прямоугольный» растр монитора должно быть реализовано соблюдение последовательности передачи телевизионных строк.
При условии размещения вписываемого кадра в центральной части экрана монитора выполнение этой задачи представлено на фиг. 5.
Продемонстрируем заложенный в эту программы алгоритм, используя растровое положение точечных изображений от двух элементов (пикселов) «А» и «В» для «кольцевого» фотоприемника 1-2.
Пиксел «А», отмеченный на фиг. 2, является первым в первой «кольцевой» строке сенсора, а пиксел «В» расположен точно посередине этой строки.
Тогда в «прямоугольном» растре компьютерного монитора (см. фиг. 5) изображение от пиксела «А» будет занимать положение центрального элемента его первой строки, а изображение от пиксела «В» - положение центрального элемента его последней строки.
Заявляемый способ формирования видеосигнала осуществляется следующим образом.
Воспользуемся структурной схемой устройства, изображенной на фиг. 1, где фотоприемником телевизионной камеры 1 является «кольцевой» сенсор в соответствии с фиг. 2, 3, а объектом контроля 7 - отдельно взятое зубчатое колесо, представленное на фиг. 4.
Предполагается, что установку контролируемого зубчатого колеса на рабочем месте выполняет оператор компьютера 2.
На выходе «видео» фотоприемника 1-2, а, следовательно, и на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал (ЦТС).
Далее ЦТС по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на вход «видео» компьютера 2 оператора, где выполняется в автоматическом режиме запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера.
Благодаря этому видеоинформация становится доступной и другим компьютерам в интерактивном режиме.
При установке оператором компьютера 2 режима 1 работы компьютерной программы на экране монитора будет наблюдаться изображение контролируемого зубчатого колеса полностью.
При необходимости оператор, перейдя в режим 2 работы, может наблюдать отдельные участки объекта контроля.
Предположим, что величина захватываемого углового пространства в градусах для участка зубчатого колеса (γ) составляет 60°, как показано на фиг. 6. Тогда число «прямоугольных» кадров (m), полученных в результате конвертирования одного «кольцевого» кадра составляет 6 (шесть). Эта величина является и показателем кратности увеличения масштаба изображения для участка зубчатого колеса по отношению к его полному изображению. Отметим, что все операции в режиме 2 работы являются аналогичными тем, которые были предложены ранее в изобретении [4] для наблюдения панорамного изображения.
Благодаря использованию в данной системе роутера 3, информация, хранящаяся на сервере 2, становится доступной и любому другому пользователю компьютера в локальной сети, например компьютеру 4.
Модем 5 позволяет предоставить видеоинформацию и по сети Интернет, т.е. она может поступить на компьютер удаленного пользователя, например на компьютер 6.
В настоящее время все блоки устройства, реализующего заявляемый способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Политехнический словарь. Главный редактор И.И. Артоболевский. М.: «Советская энциклопедия», 1977.
2. Патент РФ №2671229. МПК H04N 7/00. Способ формирования видеосигнала в телевизионно-компьютерной системе для контроля промышленных изделий, имеющих форму кругового кольца. / В.М. Смелков // Б.И. - 2018. - №31.
3. 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.
4. Патент РФ №2625163. МПК H04N 7/00. Телевизионная камера и ее «кольцевой» фотоприемник для компьютерной системы панорамного наблюдения. / В.М. Смелков // Б.И. - 2017. - №20.