Высокоточный метод рекурсивной фильтрации видеосигнала, реализуемый с доступом online в типовом режиме непрерывного экспонирования объекта контроля

V '

СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук

\

V и

ВЫСОКОТОЧНЫЙ МЕТОД РЕКУРСИВНОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ВИДЕОСИГНАЛА, РЕАЛИЗУЕМЫЙ С ДОСТУПОМ ONLINE В ТИПОВОМ РЕЖИМЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЭКСПОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА КОНТРОЛЯ

В составе телевизионно-компьютерной системы, предложено техническое решение телекамеры, в которой в реальном масштабе времени может, быть реализована рекурсивная, фильтрация, сигнала изображения. Ключевые слова: матрица ПЗС, телевизионная, система, телекамера, экспозиция.

In a television-computer system, proposed, solution, cameras, in which, real-time can be realized, by recursive filtering the image signal Keywords: CCD-matrix, television system, television camera, exposure.

В работе [1] автором был рассмотрен метод организации рекурсивной фильтрации видеосигнала в телевизи-онно-компьютерной системе, работающей в реальном масштабе времени (т.е. с доступом online) в режиме импульсного экспонирования контролируемых изображений интерферограмм. Настоящая статья развивает поставленную тему, предлагая для подобной системы техническое решение телекамеры, которое обеспечивает эффективную рекурсивную фильтрацию сигнала изображения в традиционном режиме непрерывного экспонирования объекта контроля. Очевидно, что отказ от необходимости создания для фотоприемника искусственного процесса экспозиции наблюдаемой сцены не только во многом упрощает его техническую реализацию за счет исключения из состава телекамеры импульсного источника света или затвора, но и расширяет возможности использования данного метода для борьбы со случайными колебаниями на объекте

контроля, вызываемыми различными причинами.

Как и ранее, здесь для фотоприемника использована технология приборов с зарядовой связью (ПЗС), но схемотехническая организация матрицы более сложная — «строчно-кадровый перенос» [2]. В зарубежной литературе [3], такую организацию ПЗС называют «кадрово-строчный перенос». Реализация строчно-кадрового переноса в сенсоре означает, что на кристалл матрицы ПЗС, имеющей организацию «строчный перенос» добавлена секция памяти, которая располагается между фотоприемной секцией и горизонтальным регистром. Особенностью данного типа сенсора является то, что во время считывания информативные зарядовые пакеты находятся не в непосредственной близости от фотодиодов мишени, а в секции памяти. Таким образом, переотражение света и диффузия из глубины полупроводника искажают видеосигнал только в течение кратковременного переноса зарядовых паке-

тов из фотоприемной секции в секцию памяти, а тем самым уровень смаза по сравнению с матричным ПЗС со строчным переносом уменьшается в 20 —5 0 раз [2, с. 42].

Структурная схема телевизионно-компьютерной системы, реализующей новый метод рекурсивной фильтрации видеосигнала, представлена на рис. 1. Телевизионная система имеет в своем составе на приемной стороне персональный компьютер 2, а на передающей стороне — телекамеру 1. По линии связи 3 с компьютера в телекамеру подаются команды управления «Пуск», «Стоп» и «Код экспозиции», а из телекамеры на компьютер транслируется композитный видеосигнал (обозначен «Видео»).

Телекамера содержит объектив 1-1, матрицу ПЗС 1-2, генератор управляющих импульсов 1-3, состоящий из временного контроллера 1-3-1, первого преобразователя уровней — ПУ 1-3-2, второго преобразователя уровней — ПУ 1-3-3 и формирователя импульсов

_РЕШЕНИЕ

Рис. 1. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы

— ФИ 1-3-4, сигнальный процессор 1-4, кЯ-триггер 1-5, счетчик-делитель 1-6 и коммутатор 1-7.

Технологическая организация матричного ПЗС приведена на рис. 2. Она содержит на кристалле фотоприемную секцию 1-2-1, секцию памяти 1-2-2, горизонтальный регистр 1-2-3 и блок преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 1-2-4.

На материнской плате компьютера в разъем расширения дополнительно установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера и предназначенная для преобразования входного аналогового видеосигнала в цифровую форму, ввода цифрового видеосигнала в оперативную память с двойным периодом кадров — 2Тк, а вывода из нее с периодом кадров Тк. Формирование управляющих сигналов для телекамеры «Пуск», «Стоп» и «Код экспозиции» может быть выполнено также на плате видео. Характеристики транслируемых сигналов представлены в табл. 1.

Зависимость регулируемой длительности накопления фотоприемника от входной комбинации сигнала «Код экспозиции» представлена в табл. 2. Выбор всех команд осуществляется с клавиатуры компьютера и/или при помощи компьютерной мыши. Реализация рекурсивной фильтрации видеосигнала является частной задачей (опцией) телекамеры. Для ее выполнения на вход «Пуск» телекамеры с компьютера подается импульс положительной полярности. В результате изменяется состояние кЯ-триггера 1-5 и осуществляется «перестройка» выходных импульсов ФИ 1-3-4, а, следовательно, и временной диаграммы управления секцией памяти 1-2-2 матрицы ПЗС. На рис. 3, в качестве примера, показано, как изменяются эти управляющие импульсы, если организованная система зарядового переноса в секции 1-2-2 фотоприемника является трехфазной. Эпюры на рис. 3а, б,в соответствуют фазным импульсам управления для типового режима работы телекамеры, а на рис. 3г,д,е — режиму рекурсивной фильтрации видеосигнала. В результате в секции памяти 1-2-2 матрицы ПЗС будут суммироваться зарядовые пакеты двух смежных кадров, сформированных соответственно при

Фотоприемная секция

Экранированные от света элементы (вертикальные ПЗС-регистры) Светочувствительные элементы (фотодиоды) г-Фотозатвор

вавововава аоаононона за ню ни

Рис. 2. Функциональная схема технологической организации фотоприемника

телекамеры

Таблица 1. Характеристики транслируемых сигналов

Наименование команды Сигнал

«Пуск» кратковременная логическая «1»

«Стоп» кратковременная логическая «1»

«Код экспозиции» логическая комбинация в двоичном коде

Таблица 2

Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс

10,0 100,0 200,0 500,0 1000,0 2000,0 4000,0 10000,0

Комбинация в трехразрядном двоичном коде

0 1 0 1 0 1 0 1

0 0 1 1 0 0 1 1

0 0 0 0 1 1 1 1

«длинном» и «коротком» времени накопления. Тогда горизонтальный регистр 1-2-3 и БПЗН 1-2-4 сенсора будут построчно и поэлементно считывать информационный (полезный) видеосиг-

нал рекурсивной фильтрации с периодом 2Тк, а в паузе между ним — только бесполезный уровень темнового тока в секции 1-2-2 фотоприемника. На выходе усилителя-формирователя 1-4 ком-

Рис. 4. Диаграмма управления накоплением матрицы ПЗС в режиме рекурсивной фильтрации видеосигнала

лировать искомую длительность накопления Тмин (см. табл. 2). Аналоговый видеосигнал телекамеры по линии связи 3 поступает в компьютер 2 на плату видео, где каждый информационный видеокадр сначала оцифровывается, а затем записывается (вводится) в оперативную память и хранится в ней в течение одного кадра. Считывание (вывод) из оперативной памяти сигнала изображения производится с периодом кадров, т.е. пропуски видеосигнала исключены. Отметим, что операции ввода цифрового видеосигнала в оперативную память и вывода из нее выполняются на плате видео при условии, когда с компьютера на телекамеру подана команда «Пуск». В исходном состоянии или при возврате телекамеры в исходное состояние командой «Стоп» с компьютера эти операции блокируются, а выходным сигналом системы становится видеосигнал телекамеры, получивший лишь аналого-цифровое преобразование. Предлагаемый метод реализации рекурсивной фильтрации видеосигнала является универсальным, т.к. осуществляется в процессе преобразования «свет — сигнал» и не требует организации импульсного экспонирования объекта контроля. Гарантируя минимальные потери по отношению сигнал/шум первичного преобразования, он обладает повышенной точностью выполнения самого процесса фильтрации, а, следовательно, и записи оператором полученного результата в компьютер

Литература

позитный видеосигнал, подаваемый на выход «Видео» телекамеры, сохраняет эти особенности сигнала изображения на выходе матрицы ПЗС (рис. 3ж). На рис. 4 представлено взаимное расположение интервалов накопления в смежных кадрах в соответствии с диаграммой управления. Это суммирование является взвешенным, т.к. фиксирует и различные состояния процесса накопления во времени. Временные «центры тяжести» суммируемых видеосигналов (они по-

мечены на рис. 4 кружками с заливкой) могут регулироваться относительно друг друга за счет управления длительностью накопления «короткого» сигнала. При этом пунктирная линия со стрелкой на рис. 4 показывает возникающее изменение диаграммы экспонирования во времени. Временное смещение «центров тяжести» суммируемых видеосигналов является управляемым, а, выбирая с компьютера необходимый код посылки, можно удобно и безошибочно регу-

1. Смелков В.М. Организация рекурсивной фильтрации видеосигнала с повышенным. отношением, сигнал/шум, выполняемой в процессе преобразования. «свет. - сигнал» / Спецтехника и связь, 2013. - № 1. - С. 21 - 27.

2. Никитин В.В., Цыцулин А.К. Телевидение в системах физической защиты.. - С.-Пб.: СПбГЭТУ«ЛЭТИ», 2001.

3. Владо Дамьяновски. СТУ. Библия, видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии./ Перевод с англ. -М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.