УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТЕЛЕВИЗИОННОГО КРУГОВОГО ОБЗОРА ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБ И ТРУБОПРОВОДОВ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
COMPUTER SYSTEM DEVICE FOR TELEVISION CIRCULAR REVIEW OF INTERNAL SURFACE OF LARGE DIAMETER PIPES AND PIPELINES

Предлагаемое изобретение имеет отношение к панорамному телевизионному наблюдению для технологического контроля внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра, выполняемого компьютерной системой при помощи монохромной или цветной телевизионной камеры кругового обзора в области, близкой к полусфере, которая принудительно подсвечивается для получения оптимальной чувствительности изображения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе датчик телевизионного сигнала (ДТС), состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, при этом фотоприемник монохромной телевизионной камеры имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся блоком преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а площадь каждого пиксела фотоприемной области увеличивается по мере движения к внешней периферии; фотоприемник цветной телевизионной камеры состоит из монохромного сенсора и накрывающего его фотоприемную область цветного мозаичного фильтра, который разхделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, причем световые «окна» цветного мозаичного фильтра, имеющего «кольцевую» форму, совпадают с геометрическими размерами пикселов фотоприемной области сенсора, при этом в телевизионной камере выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен через коммутатор к информационному входу сигнального процессора, соединенному последовательно с аналого-цифровым преобразователем (АЦП), выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП, пятый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к первому управляющему входу коммутатора, а шестой выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации блока механического сканирования ДТС, при этом второй управляющий вход коммутатора объединен с управляющим входом блока механического сканирования ДТС и подключен к входу внешнего управления телевизионной камерой, на который поступают команды, обеспечивающие ее работу в режимах «Камера» и «Сканер», причем блок механического сканирования кинематически связан с ДТС, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, 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.
Устройство прототипа [1], имеющее другое название (применительно к заявленному решению и зарегистрированному патенту), а именно: «Компьютерная система панорамного телевизионного наблюдения с повышенной чувствительностью», - потенциально обладает возможностью реализовать телевизионный контроль состояния внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра. Об этом подробно изложено в описании данного изобретения. В режиме «Камера» для прототипа выполняется диагностика местоположения внутренней поверхности объекта, который является подозрительным на технологический дефект, а в режиме «Сканер» выполняется формирование для этой области видеосигнала повышенного качества.
Недостаток прототипа компьютерной системы - отсутствие принудительной освещенности на контролируемом объекте, приводящее к пониженной чувствительности изображения контролируемого объекта в режимах «Камера» и «Сканер», которое в режиме «Камера» усугубляется неравномерностью формируемого видеосигнала «кольцевого» кадра от строки к строке из-за меняющейся по размеру площади их пикселов.
Задачей изобретения является организация в составе телевизионной камеры компьютерной системы на контролируемом объекте принудительной освещенности повышенной равномерности, обеспечивающей оптимальную чувствительность изображения и ее выравнивание вдоль «кольцевого» кадра с одновременным повышением скорости выполнения (производительности) самого процесса технологического контроля и его упрощения.
r
Поставленная задача в заявляемом устройстве компьютерной системы для телевизионного кругового обзора решается тем, что в устройство прототипа [1], содержащее последовательно соединенные телевизионную камеру и компьютер оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров, причем телевизионная камера, формирующая «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, размещается внутри контролируемой цилиндрической трубы или трубопровода большого диаметра и содержит в своем составе ДТС, состоящий из последовательно расположенных и оптически связанных панорамного объектива и фотоприемника, при этом фотоприемник монохромной телевизионной камеры имеет форму кругового кольца, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру, оканчивающемуся БПЗН, причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а площадь каждого пиксела фотоприемной области увеличивается по мере движения к внешней периферии; для фотоприемника цветной телевизионной камеры на выходе панорамного объектива дополнительно установлен инфракрасный отсекающий фильтр (ИК-фильтр), а сам цветной фотоприемник состоит из монохромного сенсора и накрывающего его фотоприемную область цветного мозаичного фильтра, который разделяет свет на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты, причем световые «окна» цветного мозаичного фильтра, имеющего «кольцевую» форму, совпадают с геометрическими размерами пикселов фотоприемной области сенсора, выход БПЗН фотоприемника, являющийся выходом ДТС, подключен к информационному входу сигнального процессора, соединенному последовательно с АЦП, выход управления экспозицией сигнального процессора подключен к управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника, второй выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника, третий выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к входу синхронизации сигнального процессора, четвертый выход блока «кольцевой» развертки видеосигнала - к тактовому входу АЦП, а выход АЦП является выходом телевизионной камеры, при этом в разъем расширения на материнской плате сервера установлена плата видео, согласованная по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной сервера, содержащая блок преобразования «кольцевого» кадра в «прямоугольные» кадры (БПКП), вход которого подключен к выходу блока оперативной памяти на кадр, а выход - к выходу «сеть», причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), реализуются следующие изменения, а именно: в состав телевизионной камеры введены точечный (одноэлементный) или многоэлементный осветитель и блок формирования апертуры (БФА), причем осветитель расположен перед панорамным объективом, а его геометрический центр находится на оптической оси панорамного объектива, при этом диаграмма направленности осветителя совпадает с угловым полем в пространстве предметов для панорамного объектива, а диаметр осветителя не превышает диаметр пассивной части изображения для проекции панорамного объектива, формируемой в этой плоскости, причем спектральная характеристика излучения осветителя соответствует спектральной характеристике чувствительности фотоприемника телевизионной камеры, при этом информационный вход БФА подключен к выходу импульсов сброса блока «кольцевой» развертки видеосигнала, синхронизирующий вход БФА - к соответствующему выходу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, а выход БФА - ко второму управляющему входу блока «кольцевой» развертки видеосигнала, при этом период управляющих импульсов Т, формируемых на выходе БФА, определяется соотношением:
р
где Т - период считывания элемента в фотоприемнике;
m
n - коэффициент, целое число, величина которого для текущей строки считывания в фотоприемнике равна отношению:
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в фотоприемнике;
m
Δ - площадь светочувствительного элемента для текущей строки считывания в фотоприемнике.
По отношению к прототипу, заявляемое устройство отличается введением в состав телевизионной камеры осветителя и блока формирования апертуры (БФА) фотоприемника.
Оригинальный осветитель обеспечивает необходимую принудительную освещенность контролируемого объекта с той стороны, откуда наблюдает телевизионная камера. Принципиальная возможность расположения осветителя перед объективом телевизионной камеры обеспечивается формированием этим объективом панорамного оптического изображения объекта контроля, имеющего в центре круговую пассивную часть, т.е. область, которая свободна от передаваемого изображения.
БФА обеспечивает выравнивание чувствительности сенсора по видеосигналу от строки к строке путем организации управления зарядовым считыванием в «кольцевом» растре фотоприемника с одинаковой величиной площади апертуры для различных по площади светочувствительных элементов сенсора при поддержании неизменного показателя разрешающей способности изображения телевизионной камеры.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства неизвестна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В телевизионной камере предлагаемого устройства реализуется режим работы с принудительной подсветкой контролируемого объекта, которая обладает повышенной равномерностью благодаря расположению геометрического центра осветителя на оптической линии объектива перед ним.
Следует отметить, что такое пространственное положение осветителя принципиально достижимо в телевизионной камере только, если использован панорамный объектив, а качестве сенсора - «кольцевой» фотоприемник. Применение в качестве фотоприемника матрицы ПЗС принципиально исключает возможность осуществления такого осветителя.
Реализация в заявляемом устройстве оригинального осветителя в совокупности с возможностью при помощи БФА выравнивания чувствительности «кольцевого» кадра фотоприемника гарантирует повышение скорости выполнения (производительности) телевизионного технологического контроля при одновременном его упрощении.
Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена структурная схема заявляемого изобретения - устройства компьютерной системы для кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопровод большого диаметра; на фиг. 2 - структурная схема телевизионной камеры из состава этой компьютерной системы; на фиг. 3 приведена схемотехническая организации фотоприемника телевизионной камеры; на фиг. 4 показан фрагмент этого фотоприемника, иллюстрирующий подробности его конструкции для цветного варианта сенсора; на фиг. 5, по данным [2], представлена фотография изображения, полученного при помощи отечественного панорамного зеркально-линзового объектива; на фиг. 6 приведена конструкция «кольцевого» регистра фотоприемника, у которого электроды переноса выполнены в виде части кругового кольца; на фиг. 7, по данным [3, с. 19], представлена структурная схема БПЗН с организацией «плавающая диффузионная область»; на фиг. 8 изображена эпюра выходного сигнала БФА, который выполняет управление апертурой «кольцевого» фотоприемника; на фиг. 9 - предлагаемое оператору панорамное изображение текущего «кольцевого» кадра в виде последовательности из 6-ти «прямоугольных» кадров.
Заявляемое устройство компьютерной системы телевизионного кругового обзора внутренней поверхности цилиндрических труб и трубопроводов большого диаметра, см. фиг. 1, содержит последовательно соединенные телевизионную камеру 1 и компьютер 2 оператора в качестве сервера, являющийся узлом локальной вычислительной сети, к которому подключены два или более персональных компьютеров в позиции 3, причем телевизионная камера, размещаемая внутри контролируемой цилиндрической трубы 4 большого диаметра, формирует «кольцевой» растр монохромного или цветного изображения, при этом на материнской плате сервера 2 установлена плата видео, выполняющая программным путем запись «кольцевого» видеосигнала в оперативную память сервера и преобразование «кольцевых» кадров в «прямоугольные» кадры, причем число «прямоугольных» кадров, соответствующих одному текущему «кольцевому» кадру, удовлетворяет соотношению (1), сама телевизионная камера 1, см. фиг. 2, содержит ДТС 1-1, в состав которого входят последовательно расположенные и оптически связанные осветитель 1-1-1, панорамный объектив 1-1-2 и фотоприемник 1-1-3, причем, если ДТС 1-1 является датчиком телевизионного сигнала цветного изображения, то дополнительно между панорамным объективом и фотоприемником устанавливается ИК-фильтр 1-1-4. При этом фотоприемник 1-1-3 имеет форму кругового кольца, см. фиг. 3, у которого линейки светочувствительных и линейки экранированных от света элементов фотоприемной области 1-1-3-1 расположены вдоль радиальных направлений от воображаемого центра кругового кольца к его внешней периферии и расположенному там «кольцевому» регистру 1-1-3-2, оканчивающемуся БПЗН 1-1-3-3. Причем число элементов в каждой «кольцевой» строке фотоприемной области равно числу элементов в «кольцевом» регистре, а фотоприемная область для цветного варианта сенсора накрыта мозаичным цветным фильтром, являющимся «кольцевым» по форме, см. фиг. 4, который разделяет световой поток, попадающий на светочувствительные элементы, соответственно на голубой, желтый, пурпурный и зеленый компоненты.
Выход БПЗН фотоприемника 1-1-3-3 подключен к информационному входу сигнального процессора 1-2, соединенному последовательно с АЦП 1-4; выход управления экспозицией сигнального процессора 1-2 подключен к управляющему входу блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала, первый выход которого подключен к управляющим входам фотоприемной области фотоприемника 1-1-3-1, второй выход блока 1-3 - к управляющим входам «кольцевого» регистра фотоприемника 1-1-3-2, третий выход блока 1-3 - к входу синхронизации сигнального процессора 1-2, четвертый выход блока 1-3 - к тактовому входу АЦП 1-4, а выход АЦП 1-4 является выходом телевизионной камеры. Информационный вход БФА 1-5 подключен к выходу импульсов сброса блока 1-3 «кольцевой» развертки, синхронизирующий вход БФА 1-5 - к соответствующему выходу блока 1-3 «кольцевой» развертки, а выход БФА 1-5 - ко второму управляющему входу блока 1-3 «кольцевой» развертки.
Осветитель 1-1-1 должен иметь диаграмму направленности, которая совпадает с полусферой кругового обзора для панорамного объектива 1-1-2.
Очевидно, что диаметр осветителя 1-1-1 не должен превышать диаметр оптической проекции для пассивной области панорамного объектива 1-1-2, формируемой в этой плоскости, а спектральная характеристика осветителя 1-1-1 должна соответствовать спектральной характеристике чувствительности фотоприемника 1-1-3.
Панорамный объектив 1-1-2 телевизионной камеры, как и в прототипе, предназначен для формирования оптического изображения кругового обзора («кольцевого» изображения), а по величине фокусного расстояния он должен быть отнесен к классу короткофокусных.
В качестве близкого примера его технического решения можно считать 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. 5. 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 этой фотографии подтверждает целесообразность принятой в заявляемом решении организации принудительной подсветки контролируемого объекта. По этой причине, можно считать конструктивно оправданным и выполнение осветителя 1-1-1 в составе панорамного объектива 1-1-2.
Фотоприемник 1-1-3, выполненный по технологии ПЗС, см. фиг. 3-4, реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1-3-1 с последующим поэлементным считыванием зарядов в «кольцевом» регистре 1-1-3-2 и формированием на выходе БПЗН 1-1-3-3 напряжения монохромного или цветного видеосигнала в аналоговой форме. При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-1-3-1.
В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-1-3-1.
Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода по строке новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-1-3-2.
Фотоприемник, как и в прототипе, является единственным сенсором видеосигнала цветного изображения, в котором, благодаря применению цветного «кольцевого» фильтра, пикселы ПЗС становятся чувствительными к голубой (Сy), желтой (Ye), пурпурной (Mg) и зеленой (G) цветовым составляющим. Конструкция этого фотоприемника представлена на фиг. 4.
Здесь используется известный принцип цветного телевидения, утверждающий, что для успешного восстановления цвета помимо сигнала яркости (Y) достаточно всего двух дополнительных сигналов. Имеются ввиду сигнал цветовой разности красного (R-Y) и сигнал цветовой разности синего (В-Y).
Отметим, что именно этот принцип реализован в конструкции мозаичного фильтра для фотоприемника в широко распространенных цветных одноматричных телевизионных камерах, см., например, [4, с. 155].
В заявляемом решении для «кольцевого» ПЗС-фотоприемника цветного изображения используется режим накопления поля, т.е. длительность экспозиции для всех светочувствительных пикселов фотомишени 1-1-2-1 составляет 20 мс.
Рассмотрим некоторые подробности реализации цветного сенсора.
Аналогично режиму, применяемому в одноматричных цветных камерах, здесь перед считыванием в «кольцевом» регистре 1-1-3-2 зарядовые пакеты соседних (в радиальном направлении) пикселов фотомишени объединяются попарно, причем по-разному для последовательно считываемых нечетных и четных «кольцевых» строк формируемого изображения, как показано на фиг. 4.
Отметим, что поскольку размер светочувствительного элемента в режиме накопления поля равен размеру двух пикселов матрицы по вертикали, это приводит к снижению вертикальной разрешающей способности цветного изображения, что вполне допустимо.
g
у
e
g
у
e
Первая строка содержит попарные отсчеты: (M+С), (G+Y), (M+С), (G+Y) и так далее.
у
e
g
у
e
g
Вторая строка: попарные отсчеты: (С+G), (Y+M), (С+G), (Y+M) и так далее.
Очевидно, что третья и другие последующие нечетные строки будут содержать такие же попарные отсчеты, как и первая строка, а четвертая и другие последующие четные строки - такие же попарные отсчеты, как и вторая строка.
Для получения яркостного сигнала для нечетных строк производится операция по аналогичному в [4, с. 155] алгоритму, который заключается в том, что выполняется задержка по времени на элемент разложения «кольцевого» поворота и суммирование попарных отсчетов:
Коэффициент  в формуле (2) возвращает «должок», приобретенный за счет суммирования зарядов в попарных отсчетах.
Очевидно, что выражение (4) можно представить так:
Применив аналогичный алгоритм для четных строк, получим следующее выражение для яркостного сигнала:
Аналогично представим выражение (6) в основных цветах:
Выражения (5) и (7) показывают, что яркостной сигнал для нечетных и четных строк одинаков.
Для получения цветоразностного сигнала синего (B-Y) выполняется операция по другому алгоритму, который заключается в том, что для нечетных строк выполняется задержка по времени на элемент разложения и вычитание попарных отсчетов:
e
g
y
B-Y=⎣(G+Y)-(M+C⎦=[(G+G+R)-(R+B+G+B)]=-[2B-G].
Для получения цветоразностного сигнала красного (R-Y) выполняется операция по алгоритму, аналогичному при получении цветоразностного сигнала синего, но применительно для четных строк:
g
e
y
R-Y=⎣(M+Y)-(G+C)⎦=[(R+B+G+R)-(G+G+B)]=2R-G.
Эти два цветоразностных сигнала совместно с сигналом яркости замешиваются в сигнал CVBS в системе PAL точно так же, как это выполняется в одноматричных цветных телевизионных камерах с мозаичным фильтром. Поясним, что CVBS - аббревиатура от английских слов: «composite video bar signal», т.е. полный видеосигнал.
Необходимо отметить, что для «кольцевого» фотоприемника телевизионной камеры электроды переноса на мишени 1-1-3-1 и в «кольцевом» регистре 1-1-3-2, а также световые «окна» для «кольцевого» мозаичного фильтра могут быть выполнены с геометрической формой не в виде прямоугольника, а в виде части кругового кольца.
В качестве примера на фиг. 6 показана конструкция «кольцевого» регистра 1-1-3-2 фотоприемника с такими электродами переноса.
Следует добавить важную особенность фотоприемника 1-1-3 телевизионной камеры, которая заключается в том, что площадь каждого пиксела его фотоприемной области 1-1-3-1, как для монохромного, так и для цветного сенсора увеличивается по мере движения к внешней периферии.
Но в заявляемом решении, благодаря введению в состав телевизионной камеры БФА 1-5, это не приводит к нежелательной неравномерности видеосигнала от строки к строке.
ф1
ф2
ф3
вых3
вых
сбр
На фиг. 7 показана возможная структурная схема БПЗН «кольцевого» фотоприемника 1-1-3 с организацией «плавающая диффузионная область», которая полностью совпадает со схемой, применяемой в настоящее время в матрицах ПЗС для реализации прямоугольной развертки видеосигнала, см., например, [3]. На этом чертеже приняты следующие обозначения: U, U, U - напряжения на шинах для трехфазного управления «кольцевым» регистром сдвига 1-1-3-2; U- напряжение на выходном затворе; Д, Д - выходной и сбрасывающие диоды соответственно.
сбр
Перед считыванием информационного заряда очередного элемента (пиксела) в процессе его преобразования в напряжение видеосигнала информационный заряд предыдущего элемента должен быть сброшен в стирающий диод Д.
r
Эта процедура осуществляется при помощи управляющих импульсов Т, называемых часто в литературе импульсами сброса, которые подаются на соответствующую шину управления БПЗН 1-1-3-3.
Блок формирования апертуры (БФА) 1-5 предназначен для управления считывающей апертурой фотоприемника 1-1-3 при поэлементном съеме напряжения видеосигнала в БПЗН 1-1-3-3. В результате для всех строк фотоприемника обеспечивается одинаковая по полю площадь считывающей апертуры при различной от строки к строке площади электродов светочувствительных элементов сенсора.
r
cl
cn
Эпюра выходного сигнала T, вырабатываемая на выходе БФА 1-5, представлена на фиг. 8. Предполагается, что фотоприемник 1-1-3 содержит n «кольцевых» строк. На этой диаграмме первая строка обозначена как Т, а последняя строка - как T.
Управляющие импульсы имеют положительную полярность, малую (короткую) длительность и различный период следования в пределах каждой из «кольцевых» строк.
r1
r.n
r1
p
r.n.
r
Период управляющих импульсов для первой «кольцевой» строки обозначен Т, а период управляющих импульсов для последней «кольцевой» строки - T. Период Т является самым малым и равен периоду считывания элемента Т, а период считывания T - самым большим, который равен nT. Коэффициент n в последнем выражении определяется целым числом из соотношения:
1
где Δ - площадь светочувствительного элемента для первой строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике;
n
Δ - площадь светочувствительного элемента для последней строки считывания в «кольцевом» фотоприемнике.
В физическом плане управление площадью апертуры осуществляется за счет суммирования зарядовых пакетов в соседних элементах каждой текущей «кольцевой» строки сенсора до выполнения процедуры преобразования «заряд - напряжение».
Поэтому это зарядовое сложение не может быть дополнительным источником шумов для видеосигнала на выходе телевизионной камеры.
БФА 1-5 на практике может быть реализован с использованием классического набора технических средств (логических элементов) цифровой электроники. Очевидно, что БФА 1-5 может быть выполнен в составе блока 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала.
Сигнальный процессор 1-2, блок 1-3 «кольцевой» развертки видеосигнала и АЦП 1-4 выполнены с использованием комплекта специализированных микросхем высокого уровня интеграции. Этот комплект является универсальным, т.е. может быть использован как для монохромного фотоприемника, так и для цветного сенсора.
Панорамный объектив 1-1-2 совместно с осветителем 1-1-1 формирует «кольцевое» оптическое изображение внутренней поверхности трубы 4, проецируя его на мишень фотоприемника 1-1-3 телевизионной камеры 1.
Область принудительной подсветки контролируемого объекта, выполняемой при помощи осветителя 1-1-1, показана на фиг. 1. Для фотоприемника 1-1-3 цветного изображения получаемая освещенность этого объекта дополнительно (при помощи ИК-фильтра 1-1-4) должна быть согласована со спектральной чувствительностью человеческого глаза.
Для подсвечиваемой области должна быть обеспечена оптимальная величина освещенности, т.е. такой облученности, при которой обеспечивается близкое к предельному значению отношение сигнал/шум (ψ) вырабатываемого фотоприемником 1-1-3 видеосигнала.
Фотоприемник 1-1-3 (см. фиг. 3…4) реализует «кольцевую» развертку зарядового изображения на фотоприемной области 1-1-3-1 с последующим поэлементным считыванием зарядовых пакетов в «кольцевом» регистре 1-1-3-2 и формированием на выходе БПЗН 1-1-3-3 напряжения видеосигнала в аналоговой форме. При этом в интервале прямого хода по кадру происходит процесс накопления зарядовых пакетов пропорционально освещенности панорамного сюжета, в светочувствительных пикселах фотоприемной области 1-1-3-1. В течение кратковременного промежутка последующего интервала обратного хода кадровой развертки открывается фотозатвор и заряды всех «кольцевых» строк, участвовавших в накоплении, переносятся (за один шаг поворота) в экранированные от света пикселы, расположенные на той же области 1-1-3-1.
Затем фотозатвор закрывается и в новом кадровом цикле на мишени выполняется накопление другой зарядовой «картины», а накопленные в предыдущем кадре зарядовые пакеты в радиальных направлениях переносятся на периферию кристалла фотоприемника, загружая в интервале обратного хода строчной развертки новыми зарядами «кольцевой» регистр 1-1-3-2.
В результате фотоэлектрического и последующего аналого-цифрового преобразования видеосигнала на выходе телевизионной камеры 1 формируется цифровой телевизионный сигнал монохромного или цветного изображения в зависимости от установленного «кольцевого» сенсора.
Но, по сравнению с прототипом, благодаря введению в состав телевизионной камеры БФА 1-5 будет обеспечено зарядовое считывание в фотоприемнике 1-1-3 с одинаковой величиной площади апертуры для различных по площади светочувствительных элементов сенсора, а следовательно, и необходимое выравнивание его чувствительности от строки к строке.
г
Допустим, что текущий угол поля зрения (γ) предъявляемого панорамного изображения составляет 60 градусов по горизонтали, тогда «кольцевой» кадр записи включает 6 (шесть) условных областей.
В этом случае оперативная память сервера 2, куда записывается панорамное монохромное или цветное изображение, содержит 6-ть областей входного видеосигнала текущего «кольцевого» кадра.
Далее, как и в прототипе, в компьютере 2 оператора при помощи элемента БПКП, реализующего 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 2.
Поэтому цифровой видеосигнал записи для каждого «кольцевого» кадра изображения преобразуется в 6 «прямоугольных» кадров, которые могут быть предложены в виде выбранной последовательности (см. фиг. 9) оператору компьютера 2.
По сравнению с прототипом в заявляемом техническом решении устройства компьютерной системы на выходе телевизионной камеры 1 в режиме «Камера» вырабатывается видеосигнал высокого качества, что позволяет использовать его не только для предварительной диагностики повреждений, но и для записи в компьютер 2 оператора.
Поэтому отпадает необходимость в организации режима работы «Сканер», а в результате, не только упрощается телевизионная камера и ее управление, но и значительно повышается скорость выполнения (производительность) всего телевизионного технологического контроля.
По этой причине рабочее место оператора компьютера 2 может быть упразднено, а его функции вполне могут быть возложены на автоматический сервер 2.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства компьютерной системы для телевизионного кругового обзора внутренней поверхности труб и трубопроводов большого диаметра освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
Источники информации
1. Патент РФ №2564678. МПК H04N 7/18. Компьютерная система панорамного телевизионного наблюдения с повышенной чувствительностью. / В.М. Смелков // БИ 28, 2015.
2. Патент РФ №2185645. МПК G02B 13/06, G02B 17/08. Панорамный зеркально-линзовый объектив. / А.В. Куртов, В.А. Соломатин // БИ 20, 2002.
3. Хромов Л.И., Лебедев Н.В., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Твердотельное телевидение. - «Радио и связь», 1986.
4. Владо Дамьяновски. CTV. Библия видеонаблюдения, Цифровые и сетевые технологии. / Перевод с англ. М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.