СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ВИДЕОСИГНАЛА В "КОЛЬЦЕВОМ" ФОТОПРИЁМНИКЕ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ПАНОРАМНОГО ТЕЛЕВИЗИОННОГО НАБЛЮДЕНИЯ
METHOD FOR FORMING VIDEO SIGNAL IN A “RING” PHOTODETECTOR FOR COMPUTER SYSTEM OF PANORAMIC TELEVISION SURVEILLANCE

Предлагаемое изобретение на способ относится к телевизионной технике и ориентировано на использование в телевизионных камерах панорамного наблюдения, которые выполнены на базе «кольцевых» телевизионных сенсоров по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) и предназначены для работы в условиях возможных световых перегрузок на объекте контроля. Эти камеры осуществляют одновременно круговой обзор обстановки в области, близкой к полусфере, т.е. в пространственном угле 360 градусов по азимуту и десятки градусов по углу места.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ формирования видеосигнала, в «кольцевом» фотоприемнике для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения [1], заключающийся в том, что в «кольцевом» фотоприемнике, выполненном по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах «кольцевую» мишень, «кольцевую» секцию памяти, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем всю площадь мишени фотоприемника занимают линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти, при этом линейки светочувствительных элементов мишени и линейки элементов экранированной от света секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число «кольцевых» строк, сформированных на мишени фотоприемника, равно числу «кольцевых» строк, образованных на его секции памяти, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, причем площадь светочувствительных и экранированных элементов на фотоприемной области одинакова по величине в каждой «кольцевой» строке и от строки к строке по мере движения к внешней периферии фотоприемника, в котором накапливают с периодом кадров информационные заряды на светочувствительных элементах мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени, выполняя при этом следующие операции, а именно: перенос информационных зарядов с частотой кадрового переноса из мишени в секцию памяти, построчный перенос информационных зарядов из секции памяти в «кольцевой» регистр сдвига в интервале обратного хода классической (прямоугольной) строчной развертки, а в интервале прямого хода классической строчной развертки - поэлементный перенос информационных зарядов из «кольцевого» регистра сдвига в БПЗН с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнал, причем на мишени в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора на мишени.
Бесспорным достоинством фотоприемника прототипа [1] является реализация его «кольцевой» развертки при помощи импульсных сигналов управления, которые применяются в матрице ПЗС, имеющей схемотехническую организацию «кадровый перенос» и соответствующий формат. Это означает унификацию управления и соблюдение привязки (по времени) управляющих сигналов «кольцевого» фотоприемника к импульсам классической (прямоугольной) развертки изображения по строкам и кадрам.
За счет технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора на мишени фотоприемника прототипа [1] предусматривается возможность организации автоматического управления длительностью кадрового накопления информационных зарядов в зависимости от освещенности сцены наблюдаемой сцены.
Недостатком способа формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике прототипа является ограниченный динамический диапазон сенсора, что при мощных световых перегрузках на объекте может приводить даже к полному заплыванию формируемого изображения.
Задача настоящего изобретения - расширение динамического диапазона «кольцевого» фотоприемника.
Поставленная задача в заявляемом способе формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения решается тем, что в «кольцевом» фотоприемнике прототипа, выполненном по технологии ПЗС, который имеет кристалл в виде кругового кольца и содержит в его пределах «кольцевую» мишень, «кольцевую» секцию памяти, «кольцевой» регистр сдвига, заканчивающийся преобразователем «заряд - напряжение» (БПЗН), причем всю площадь мишени фотоприемника занимают линейки светочувствительных элементов, которые непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти, при этом линейки светочувствительных элементов мишени и линейки элементов экранированной от света секции памяти расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру сдвига, число «кольцевых» строк, сформированных на мишени фотоприемника, равно числе «кольцевых» строк, образованных на его секции памяти, а число элементов в каждой «кольцевой» строке мишени и в каждой «кольцевой» строке секции памяти фотоприемника равно числу элементов в его «кольцевом» регистре сдвига, причем площадь светочувствительных и экранированных элементов на фотоприемной области одинакова по величине в каждой «кольцевой» строке и от строки к строке по мере движения к внешней периферии фотоприемника накапливают с периодом кадров информационные заряды на светочувствительных элементах мишени, осуществляют «кольцевую» развертку зарядового изображения на мишени, выполняя при этом следующие операции, а именно: перенос информационных зарядов с частотой кадрового переноса из мишени в секцию памяти, построчный перенос информационных зарядов из секции памяти в «кольцевой» регистр сдвига в интервале обратного хода классической (прямоугольной) строчной развертки, а в интервале прямого хода классической строчной развертки - поэлементный перенос информационных зарядов из «кольцевого» регистра сдвига в БПЗН с одновременным преобразованием заряда в напряжение видеосигнал, причем на мишени в интервале между кадровым переносом текущего кадра и циклом накопления последующего кадра отводят избыточные заряды в подложку фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора на мишени, отличающийся от прототипа [1] тем, что в процессе получения сигнала изображения кадровый перенос информационных зарядов из мишени в секцию памяти осуществляют на заключительном промежутке интервала обратного хода классической (прямоугольной) кадровой развертки с выполнением соответствующей временной задержки длительности накопления информационных зарядов, а в промежутке интервала обратного хода классической кадровой развертки, предшествующем переносу информационных зарядов, осуществляют очистку секции памяти от паразитных зарядов за счет их перемещения с частотой кадрового переноса в «кольцевой» регистр сдвига и/или за счет отвода паразитных зарядов в подложку «кольцевого» фотоприемника путем технологической организации антиблюминговой области и электронного затвора в его секции памяти.
Совокупность известных и новых признаков для заявляемого способа не известна из уровня техники, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
Согласно заявляемому способу расширение динамического диапазона выполняется применительно к «кольцевому» фотоприемнику, т.е. оно реализуется в «кольцевом» растре телевизионного изображения.
Поэтому данное техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
о.х.к.
На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 4 приведены в едином масштабе, с общим отсчетом по времени эпюры управляющих сигналов, необходимые для реализации заявляемого способа формирования видеосигнала, относительно кадрового гасящего импульса длительностью t, показанного на фиг. 1а); на фиг. 3 показаны эпюры фрагмента управляющих сигналов согласно фиг. 2 в другом масштабе; на фиг. 5 дан фрагмент поперечного сечения мишени или секции памяти «кольцевого» сенсора на ПЗС, иллюстрирующий физические процессы, которые сопровождает технологическая организация антиблюминговой области и электронного затвора в этих областях фотоприемника; на фиг. 6 изображена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ формирования видеосигнала; на фиг. 7 - схемотехническая организация «кольцевого» фотоприемника на ПЗС; на фиг. 8 приведена структурная схема компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, в составе телевизионной камеры которой реализован заявляемый способ формирования видеосигнала; на фиг. 9 показана структурная упомянутой телевизионной камеры; на фиг. 10, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива.
Устройство на фиг. 6 содержит первый задающий генератор 1, синхрогенератор 2, формирователь 3 импульсов кадрового переноса, формирователь 4 импульсов электронного затвора мишени, второй задающий генератор 5, формирователь 6 импульсов поэлементного переноса, «кольцевой» фотоприемник 7, а также формирователь 8 интервала очистки и импульсов электронного затвора секции памяти.
Блоки 2-4 и 6-8, обведенные на фиг. 6 штрихпунктирной линией, могут быть выполнены в виде большой интегральной схемы (БИС) в составе блока 9 «кольцевой развертки фотоприемника и формирования цифрового телевизионного сигнала, показанного соответственно на фиг. 8…9.
«Кольцевой» фотоприемник 7 (см. фиг. 7) содержит мишень 7-1, на всей площади которой в радиальных направлениях (от воображаемого геометрического центра кольца к его внешней периферии) расположены линейки светочувствительных элементов; экранированную от света секцию памяти 7-2, заполненную в тех же радиальных направлениях линейками с таким же числом элементов, что и на мишени, а также «кольцевой» регистр сдвига 7-3, заканчивающийся БПЗН 7-4. При этом число элементов в каждой сформированной «кольцевой» строке мишени 7-1 и в каждой образованной «кольцевой» строке секции памяти 7-2 равно числу элементов в «кольцевом» регистре сдвига 7-3, а линейки светочувствительных элементов мишени 7-1 непосредственно и последовательно связаны зарядовой связью с линейками элементов секции памяти 7-2.
По варианту 1 фотоприемник содержит также встроенные в мишень 7-1 антиблюминговую область и электронный затвор. По варианту 2 антиблюминговая область и электронный затвор интегрированы в сенсор 7 дважды, - соответственно в мишень 7-1 и в секцию памяти 7-2.
Как показано на фиг. 5, затвор GA является «электронным» затвором мишени сенсора. Для фотоприемника с n-каналом, если на затворе GA присутствует низкий (относительно подложки) потенциал, последний закрыт, а потенциальные ямы под фазными электродами мишени 7-1 изолированы от стоковой области за счет этого барьерного смещения. Тогда на самой фотомишени инициируется процесс накопления зарядовых фотоэлектронов под электродами Ф2Н (см. фиг. 5а).
Когда на затвор GA подается высокий потенциал, то потенциальный барьер снимается, затвор открывается, а на мишени 7-1 исключается процесс накопления фотоэлектронов. Это объясняется тем, что носители, не задерживаясь в потенциальных ямах под фазными электродами Ф2Н, устремляются в более глубокие ямы, создаваемые потенциалом DA в стоковой области, а далее рекомбинируют в подложку фотоприемника (см. фиг. 5б).
С другой стороны, соблюдая физику работы ПЗС, совершенно аналогично можно реализовать в фотоприемнике «электронный» затвор GB с антиблюминговой областью, управляемой потенциалом DB, встроив их в секцию памяти 7-2 вокруг фазных электродов Ф2П, как показано на фиг. 5.
Устройство компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения, в котором применяется заявляемое изобретение, см. фиг. 8, как и для прототипа [1], содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 10 и сервер 11, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 12, при этом телевизионная камера 10 состоит из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива 8, «кольцевого» фотоприемника 7 и блока 9 «кольцевой» развертки фотоприемника и формирования цифрового телевизионного сигнала, при этом управляющие входы фотоприемника 7 подключены к выходам импульсных напряжений блока 9, реализующих «кольцевую» развертку, а выход цифрового телевизионного сигнала, формируемого в блоке 9, является выходом телевизионной камеры 10, при этом на материнской плате сервера 11 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров n, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению:
г
где γ - горизонтальный угол поля зрения в градусах наблюдаемого оператором изображения, а само это преобразование выполняется программным путем.
Панорамный объектив 8 телевизионной камеры предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения). В качестве технического решения для панорамного объектива 8, совпадающего с аналогичным решением для прототипа, может быть предложен панорамный зеркально-линзовый объектив, конструкция которого запатентована в России отечественными специалистами из Московского государственного университета геодезии и картографии [2].
Фотография кольцевого изображения, формируемого панорамным объективом, представлена на фиг. 10. Угловое поле в пространстве предметов для этого объектива составляет 360 градусов по азимуту и может достигать (75-80) градусов по углу места. Наличие пассивной (неинформативной) области в центре оптического кадра панорамного объектива подтверждает целесообразность выбора формы фотоприемника в пользу кругового кольца.
Блок 9 телевизионной камеры (см. фиг. 9) содержит временной контроллер 9-1, сигнальный процессор 9-2, первый преобразователь уровней (ПУ) 9-4, второй ПУ 9-5, третий ПУ 9-6, четвертый ПУ 9-7 и пятый ПУ 9-8, а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 9-2, выход которого является выходом телевизионной камеры.
Рассмотрим реализацию заявляемого способа формирования видеосигнала в телевизионной камере (см. фиг. 8…9).
Как и в прототипе [1], предполагается, что телевизионная камера 10 установлена в фиксированное положение, например при помощи фотоштатива (на фиг. 8…9 он не показан).
Оптическое изображение объекта контроля проецируется с выхода панорамного объектива 8 на мишень 7-1 «кольцевого» фотоприемника (см. фиг. 7), при этом секция памяти 7-2 защищена от засветки экраном, нанесенным непосредственно на ее поверхность.
В интервале прямого хода кадровой развертки происходит процесс накопления зарядовых пакетов в светочувствительных пикселах мишени 7-1 пропорционально освещенности панорамного сюжета.
В течение небольшого промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки выполняется перенос зарядов всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, в экранированные от света пикселы, расположенные в секции памяти 7-2.
Затем в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а предыдущая зарядовая «картина» выводится из кристалла фотоприемника. При этом в интервале обратного хода строчной развертки происходит загрузка новыми зарядами из секции 7-2 в «кольцевой» регистр сдвига 7-3, которые затем, в каждом последующем интервале прямого хода по строке, переносятся в направлении к БПЗН 7-4, где для сигнала изображения выполняется поэлементное конвертирование уровня заряда в уровень напряжения.
В условиях световых перегрузок в секции 7-2 памяти образуются паразитные заряды из-за переотражений света и диффузии зарядов в кремнии со стороны мишени 7-1. По мере считывания очередного информационного кадра из секции 7-2 памяти в ее верхней части, т.е. расположенной ближе к внутренней периферии кольца, образуются строки, свободные от информационных зарядов. В потенциальных ямах этих строк происходит накопление паразитных зарядов. К концу считывания информационного кадра все строки секции 7-2 памяти содержат паразитные заряды, но распределение этих зарядов по площади секции 7-2 неравномерно. Наибольший паразитный заряд содержат верхние строки секции памяти, т.к. суммарное время накопления зарядов, там оказавшихся, превышает время накопления для остальных строк, которые расположены ниже их.
з
з
н
В заявляемом способе формирования сигнала изображения (по сравнению с прототипом [1]) кадровый перенос информационных зарядов из мишени 7-1 в секцию 7-2 памяти выполняется на заключительной части интервала обратного хода кадровой развертки. Для этого в блоке 3 (см. фиг. 6) производится задержка импульса, определяющего временное положение кадрового переноса на необходимую величину Т. Выходной импульсный сигнал блока 3, соответствующий интервалу кадрового переноса согласно этому способу, представлен на фиг. 1к. Одновременно в блоке 3 выполняется задержка на величину Т интервала накопления Т.
Отметим, что для прототипа [1] временное положение кадрового переноса в пределах интервала обратного хода кадровой развертки считается произвольным (см. фиг. 1в…1з), но привязанным к положению импульса электронного затвора (GA) мишени (см. фиг. 1б), формируемого блоком 4.
о
Формирование импульсного сигнала, определяющего интервал очистки Т секции памяти от паразитных зарядов (см. фиг. 1и) осуществляется в блоке 8 (см. фиг. 6). Сама очистка производится в двух вариантах, которые могут быть реализованы как совместно (сразу оба), так и по выбору (один из них). Эти варианты на фиг. 6 определяются положением переключателя.
По варианту 1 (положение переключателя - «вниз») блок 3 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Н), второй (Ф2Н) и третьей (Ф3Н) фазой мишени 7-1 (см. фиг. 2б-г), а совместно с блоком 8 - импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (Ф3П) фазой секции 7-2 памяти (см. соответственно фиг. 2д-ж).
о
в
о.х.с.
Блок 4 вырабатывает импульс управления электронным затвором (GA) мишени (см. фиг. 2а), а блок 6 - импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (Ф3Р) фазой «кольцевого» регистра сдвига 7-3 (на диаграммах не показаны). При этом в интервале Т производится перемещение паразитных зарядов из секции 7-2 памяти в «кольцевой» регистр 7-3 с частотой переноса Т, как показано на фиг. 2 и 3. Во время обратного хода строчной развертки (t) зарядовые строки паразитного сигнала складываются (укрупняются) в «кольцевом» регистре 7-3, а затем во время прямого хода строки поэлементно переносятся из него в БПЗН 7-4.
о.х.с.
о
Пусть t - интервал приема зарядовых строк в «кольцевом» регистре. Тогда интервал Т составляет величину:
c
где N - количество строк в секции 7-2;
с
Т - период строки.
c
с
в
о
о.х.с.
п
Очевидно, что полная очистка фотоприемника от паразитных носителей будет успешно проведена, если выбор параметров N, Т и Т позволяет «уложиться» в расчетный интервал Т, который не выходит за промежуток (t - Т).
о
По варианту 2 (положение переключателя - «вверх») блок 3 формирует точно такие же, как и по варианту 1, импульсные сигналы управления первой (Ф1Н), второй (Ф2Н) и третьей (Ф3Н) фазой мишени 7-1 (см. фиг. 2б-г), а также типовые импульсные сигналы управления первой (Ф1П), второй (Ф2П) и третьей (Ф3П) фазой секции 7-2 памяти (см. соответственно фиг. 2д-ж). Аналогично варианту 1 блок 6 формирует импульсные сигналы управления первой (Ф1Р), второй (Ф2Р) и третьей (Ф3Р) фазой «кольцевого» регистра сдвига 7-3, блок 4 - импульс управления электронным затвором (GA) мишени (см. фиг. 2а), а дополнительно блок 8 транслирует на фотоприемник импульс управления электронным затвором (GB) секции памяти (см. фиг. 4з). Благодаря последнему паразитные заряды из секции 7-2 памяти в интервале Т отводятся в подложку фотоприемника.
Аналоговый видеосигнал фотоприемника, как и в прототипе [1], (см. фиг. 9) преобразуется далее при помощи сигнального процессора 9-2 и АЦП 9-3 в цифровой телевизионный сигнал (ЦТС) «кольцевого» кадра на выходе телевизионной камеры.
Затем ЦТС (см. фиг. 8) по интерфейсу (например, USB 2,0) передается на сервер 12, где выполняется запись видеоинформации в его оперативную память на кадр.
г
Предположим, что горизонтальный угол поля зрения (γ) предъявляемого оператору изображения составляет 60°. Тогда должно быть предусмотрено, что одна шестая часть каждой «кольцевой» строки из «кольцевого» кадра записывается в сервере 11 соответственно в один из шести массивов оперативной памяти на кадр.
Как и в прототипе [1], в сервере 11, который реализует возложенные на него функции программным путем, осуществляется операция считывания видеосигнала, а в результате - конвертирование «кольцевого» кадра в обычные «прямоугольные» кадры и возможность предоставления этой информации на выходе «сеть» сервера 11.
В результате цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется по соотношению (1) в n «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности операторам локальной вычислительной сети. В нашем примере эта последовательность содержит 6 различных изображений.
В настоящее время все блоки функциональной схемы, реализующей предлагаемый способ формирования видеосигнала, освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предполагаемое изобретение на способ формирования видеосигнала в «кольцевом» фотоприемнике для компьютерной системы панорамного телевизионного наблюдения соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ №2592831. МПК H04N 5/00. Устройство фотоприемника для панорамного телевизионно-компьютерного наблюдения. / В.М. Смелков // БИ - 2016. - №21.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ - 2002. - №20.