Способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм на базе матричного фотоприёмника КМОП
METHOD FOR COMPUTER REGISTRATION OF AN IMAGE SIGNAL OF INTERFEROGRAMS BASED ON A CMOS MATRIX PHOTODETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах анализа интерферограмм, в которых в качестве датчиков видеосигнала применены цифровые матричные фотоприемники, изготовленные по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм [1], заключающийся в том, что световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта проецируют на мишень матричного фотоприемника, изготовленного по технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС), принудительно реализуют в фотоприемнике «длинное и «короткое» накопление информационных зарядов в смежных кадрах, формируют на выходе фотоприемника мультиплексный сигнал изображения, формируют на выходе «видео» телевизионной камеры мультиплексный телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, осуществляют в компьютере демультиплексирование видеосигнала путем выполнения в нем задержки входного мультиплексного телевизионного сигнала на кадр и реализации взвешенного суммирования прямого и задержанного видеосигналов за счет дистанционного выбора с компьютера для этой задержанной составляющей видеосигнала оптимальной длительности «короткой» экспозиции матричного фотоприемника ПЗС в телевизионной камере.
В прототипе [1] непосредственно в матричном ПЗС-фотоприемнике с организацией «кадровый перенос», оперируя сигналами изображения в зарядовой форме, по методу рекурсивной фильтрации видеосигнала реализуют усреднение случайных колебаний оптического изображения объекта, вызванных, например, вибрациями. Для прямой составляющей выходного сигнала изображения типовой интервал накопления фотоприемника максимален и соответствует реакции однозвенного рекурсивного фильтра видеосигнала на его выходе. Регулировка же степени его фильтрации достигается за счет управления временем накопления в сторону уменьшения применительно к задержанной составляющей видеосигнала фотоприемника.
Недостатком прототипа [1] является снижение точности реализации операции рекурсивной фильтрации сигнала изображения при пониженной освещенности объекта контроля из-за нехватки чувствительности телевизионной камеры, выполненной на базе фотоприемника ПЗС.
Посмотрим на проблему нехватки чувствительности телевизионной камеры системы со стороны последних достижений в технологической реализации самого фотоприемника.
Известно, [см. 2, с. 65], что емкость плавающей диффузионной области - выходного блока современных матричных ПЗС, в котором осуществляется считывание заряда, составляет величину порядка 0,01 пФ. Это соответствует коэффициенту преобразования в 15…25 мкВ напряжения видеосигнала на один электрон зарядового сигнала.
В фотоприемнике КМОП [см. там же 2, с. 65] емкость считывания обычно того же порядка, однако применение активного усилителя (докоммутационного усиления) позволяет добиться эквивалентного коэффициента преобразования на порядок больше, чем у ПЗС, - до 250 мкВ/е.
Задачей изобретения является повышение точности реализации рекурсивной фильтрации путем повышения чувствительности телевизионной камеры за счет применения в ее составе матричного фотоприемника цифрового типа, выполненного по технологии КМОП, используя коэффициент усиления прибора в качестве параметра регулировки степени фильтрации.
При этом гарантируется повышенная степень интеграции самой телевизионной камеры, т.к. технология КМОП потенциально позволяет разместить на общем кристалле и необходимое электронное «обрамление» фотоприемника.
m
m
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм на базе матричного фотоприемника КМОП, заключающемся в том, что в телевизионной камере световой поток от интерференционной картины контролируемого объекта проецируют на мишень матричного фотоприемника, принудительно реализуют в фотоприемнике накопление информационных зарядов и формирование в смежных кадрах различных по уровню сигналов изображения с величиной размаха видеосигнала соответственно «максимальный» и «уменьшенный», формируют на выходе фотоприемника мультиплексный сигнал изображения, формируют на выходе «видео» телевизионной камеры мультиплексный телевизионный сигнал, который транслируют на вход «видео» компьютера, осуществляют в компьютере демультиплексирование видеосигнала путем выполнения в нем задержки входного мультиплексного телевизионного сигнала на кадр и реализации взвешенного суммирования прямого и задержанного видеосигналов по методу рекурсивной фильтрации видеосигнала за счет дистанционного выбора с компьютера для этой задержанной составляющей видеосигнала оптимальной величины размаха в телевизионной камере, но при этом, в отличие от прототипа [1], в качестве фотоприемника в телевизионной камере используют цифровой матричный фотоприемник, изготовленный по технологии комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник» (КМОП), а в качестве регулируемого параметра степени рекурсивной фильтрации в телевизионной камере используют не время накопления информационных зарядов в фотоприемнике, а его коэффициент усиления пикселов, величина которого изменяется в пределах от нуля до K, где K - типовое максимально допустимое значение видеосигнала.
Сопоставительный анализ с прототипом [1] показывает, что заявляемый способ отличается условием осуществления признаков (действий), а именно:
принудительной реализацией в матричном фотоприемнике КМОП накопления информационных зарядов и формирования в смежных кадрах различных по уровню цифровых сигналов изображения за счет регулировки в цифровой форме коэффициента усиления видеосигнала фотоприемника КМОП;
формированием на выходе фотоприемника КМОП цифрового мультиплексного видеосигнала, а на выходе телевизионной камеры - мультиплексного телевизионного сигнала в цифровой форме;
выполнением в компьютере операции демультиплексирования цифрового видеосигнала, которая включает задержку входного мультиплексного путем его записи в оперативную память и взвешенное суммирование прямого и задержанного цифровых видеосигналов по методу рекурсивной фильтрации;
применением в качестве регулируемого параметра степени рекурсивной фильтрации сигнала изображения коэффициента усиления видеосигнала фотоприемника КМОП в телевизионной камере путем дистанционного управления его показателем с компьютера пользователя.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.
По техническому результату и методу его достижения предлагаемое решение соответствует критерию о наличии изобретательского уровня.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг. 2 приведена схемотехническая организация матричного фотоприемника КМОП; на фиг. 3 - пример выполнения электрической схемы коммутатора в составе телевизионной камеры; на фиг. 4 показана функциональная схема устройства платы видео, устанавливаемой, например, в свободный PCI-слот на материнской плате стационарного компьютера.
Устройство, реализующее предлагаемый способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм на базе матричного фотоприемника КМОП, см. фиг. 1, содержит на передающей стороне телевизионную камеру в позиции 1, состоящую из последовательно расположенных и оптически связанных объектива 1-1 и датчика 1-2 цифрового телевизионного сигнала, а также RS-триггера 1-3, селектора 1-4 синхроимпульсов, счетчика-делителя 1-5, коммутатора 1-6 и цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) 1-7; на приемной стороне - компьютер в позиции 2, а между сторонами - линию связи в позиции 3, причем выход «Видео» датчика 1-2, являющийся выходом «Видео» телевизионной камеры, подключен к входу селектора 1-4 синхроимпульсов, выход которого подключен к тактовому входу RS-триггера 1-3 и соответственно к входу последовательно соединенных счетчика-делителя 1-5 и коммутатора 1-6, первый управляющий вход которого, соединенный с первым управляющим входом датчика 1-2, подключен к прямому (Q) выходу RS-триггера 1-3; второй управляющий вход датчика 1-2 подключен к выходу ЦАП 1-7, вход которого подключен к выходу коммутатора 1-6, второй управляющий вход которого, а также S-вход и R-вход RS-триггера 1-3 являются входами «Управление» телевизионной камеры, которые через жилы кабеля линии связи 3 подключены к соответствующим выходам сигналов управления на компьютере 2; а выход цифрового мультиплексного видеосигнала с выхода «Видео» телевизионной камеры транслируется по жилам кабеля линии связи 3 на вход «Видео» компьютера 2.
В качестве датчика 1-2 телевизионного сигнала может быть использован прибор, выполненный на базе матричного фотоприемника КМОП, который был разработан специалистами США в «нулевые» двухтысячные годы.
Об этом американском сенсоре сообщалось и подробно комментировалось в отечественной монографии [см. 2, с. 67, рис. 1.21].
Матричный сенсор (см. фиг. 2) содержит на общем кристалле фотоприемную область (мишень), регистр кадровой развертки, коммутатор видеосигналов и мультиплексор строчной развертки.
Активные пикселы на мишени сенсора объединены в столбцы вертикальной шиной видео 1-2-5.
m
Каждый активный пиксел мишени имеет в своем составе светочувствительную область (площадь) 1-2-1, усилитель 1-2-2 с коэффициентом усиления K и аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1-2-3. Коммутатор видеосигналов состоит из отдельных коммутаторов 1-2-7, число которых соответствует числу активных пикселов в строке, объединенных горизонтальной шиной видео 1-2-6.
Управление АЦП 1-2-3 пиксела для каждой строки фотоприемника осуществляется при помощи отдельной (своей) строчной шины 1-2-4, передающей сигнал управления с соответствующего выхода регистра 1-2-8 кадровой развертки. Отметим, что реализация АЦП в каждом пиксела является залогом дополнительного роста чувствительности фотоприемника.
Видеосигнал с выхода каждого АЦП для каждого активного пиксела отдельного взятого столбца передается на горизонтальную шину видео 1-2-6.
Для этого при помощи ключевого МОП-транзистора коммутатора, управляемого с одного из выходов мультиплексора 1-2-9, цифровой видеосигнал текущего пиксела передается на горизонтальную шину видео 1-2-6, а затем транслируется по ней на выход сенсора.
То же самое формирование цифрового видеосигнала происходит и в пределах других столбцов мишени данного сенсора. В результате последовательно один за другим для каждого пиксела отдельно взятой строки и последовательно строка за строкой для мишени в целом формируется в цифровом виде напряжение выходного видеосигнала фотоприемника в составе датчика телевизионного сигнала 1-2.
Особенностью датчика 1-2 телевизионного сигнала в предлагаемом решении является наличие первого и второго управляющих входов. Если необходимо включить автоматическую регулировку усиления (АРУ) фотоприемника, нужно подать (в уровнях ТТЛ) на первый управляющий вход сигнал логического нуля («0»), а для переключения в режим ручного управления коэффициентом усиления - сигнал логической единицы. («1»).
Второй управляющий вход датчика 1-2 обеспечивает подачу на фотоприемник аналогового сигнала с выхода ЦАП 1-7 в соответствии со значениями, которые приведены ниже в табл. 1.
вх
Пусть блок 1-7 выполнен по схеме четырехразрядного ЦАП лестничного типа [см. 3, с. 351-353], а величина его входного напряжения U составляет 3,75 В.
Тогда переход к каждому следующему двоичному числу из приведенной в табл. 1 счетной последовательности на входах приводит к увеличению аналогового выходного сигнала на 0,25 В.
Входное напряжение ЦАП 1-7 выбрано равным 3,75 не случайно, поскольку эта величина очень близка к выходному напряжению счетчиков и других ИС семейства ТТЛ.
mj
m
В крайнем правом столбце табл. 1 приведены устанавливаемые при этом соответствующие показатели коэффициентов усиления пикселов фотоприемника, величина которых изменяется в пределах от нуля до K где K - типовое максимально допустимое значение видеосигнала.
Следует отметить, что принципиально возможно не аналоговое управление в датчике 1 -2 коэффициентом усиления фотоприемника, а цифровое. Тогда необходимость в использовании ЦАП 1-7 отпадает, но учитывая, что на практике выходные сигналы ТТЛ ИС имеют заметный разброс, следует пропускать эти сигналы через преобразователи уровней (ПУ) для получения выходного напряжения с высокой точностью.
Возможная электрическая схема блока 1-6 (см. фиг. 3) содержит первый элемент «И» 1-6-1, второй элемент «И» 1-6-2, третий элемент «И» 1-6-3, четвертый элемент «И» 1-6-4, первый элемент «ИЛИ» 1-6-5, второй элемент «ИЛИ» 1-6-6, третий элемент «ИЛИ» 1-6-7, четвертый элемент «ИЛИ» 1-6-8, первый коммутатор 1-6-9, второй коммутатор 1-6-10, третий коммутатор 1-6-11 и четвертый коммутатор 1-6-12.
Необходимая кодовая комбинация, определяющая коэффициент усиления видеосигнала фотоприемника телекамеры 1, устанавливается на компьютере 2 и транслируется в ТТЛ-уровнях по линии связи 3 на вторые входы элементов «ИЛИ» 1-6-5, 1-6-6, 1-6-7 и 1-6-8. Этот же двоичный четырехразрядный код на выходе коммутаторов 1-6-9, 1-6-10, 1-6-11 и 1-6-12 является выходом для блока 1-6.
Отметим, что в исходном (начальном) состоянии блока 1-6 на его входе кода присутствует логическая комбинация «0000».
Если на входы разрешения коммутаторов 1-6-9, 1-6-10, 1-6-11 и 1-6-12 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» 1-6-1, 1-6-2, 1-6-3, 1-6-4 и кодовой комбинации на входе, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
RS-триггер 1-3 является тактируемым триггерным устройством RS- типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Селектор 1-4 синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе сигнала синхронизации приемника (ССП) с последующим формированием на выходе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ).
Счетчик-делитель 1-5 предназначен для выполнения деления частоты импульсов КСИ на два.
На фиг. 4 изображена функциональная схема платы видео, устанавливаемой в свободный PCI-слот на материнской плате стационарного компьютера или в mini PCI-слот ноутбука.
При разработке платы видео должно быть выполнено главное и обязательное условие, а именно: она должна быть согласована по каналам ввода/вывода, управлению и питанию с шиной компьютера.
На вход «Видео» платы поступает цифровой мультиплексный видеосигнал с телевизионной камеры, а на выходе «Видео» платы формируется рекурсивно отфильтрованный цифровой видеосигнал, предназначенный для записи на жесткий диск компьютера.
В нашем примере на плате видео при непосредственном участии компонентов материнской платы и по компьютерной программе реализуются следующие сигнальные операции:
Задержка входного цифрового видеосигнала на кадр;
Взвешенное суммирование прямого и задержанного видеосигналов;
Формирование для телевизионной камеры управляющего четырехразрядного двоичного сигнала «Код коэффициента усиления.
Формирование для телевизионной камеры управляющих однократных импульсов «Пуск» и «Стоп». Все команды для управления телевизионной камерой и для реализации взвешенного суммирования видеосигналов выполняются с клавиатуры компьютера и/или с компьютерной мыши.
Отметим, что операция задержки цифрового видеосигнала и операция взвешенного суммирования прямого и задержанного цифровых видеосигналов выполняются на плате видео при условии, когда с компьютера на телевизионную камеру подана команда «Пуск». В исходном состоянии или при возврате телевизионной камеры в исходное состояние командой «Стоп» с компьютера операции задержки и суммирования на плате видео блокируются, а выходным сигналом «Видео» платы становится видеосигнал поступающий непосредственно с телевизионной камеры..
Способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм на базе матричного фотоприемника КМОП (см. фиг. 1) осуществляется следующим образом.
Предположим, что расположенная в поле зрения телекамеры 1 интерфенционная картина объекта находится в идеально статическом положении, не испытывая случайных колебаний за счет вибрации и других регулярных механических воздействий низкой частоты. При этом допустим, что внешнее управление для телекамеры отсутствует, т.е. на всех входах «Управление» присутствуют логические «0».
m
Тогда автоматическая регулировка усиления (АРУ) видеосигнала фотоприемника в датчике 1-2 установит его типовое значение, равное K.
к
При этом селектор 1-4 синхроимпульсов выделяет на выходе кадровые импульсы с периодом Т.
Пусть на объекте контроля возникает низкочастотное механическое воздействие. Тогда в формируемом видеосигнале неизбежно появляется смаз, а в наблюдаемом с экрана монитора компьютера 2 изображении заметно снижается его качество.
Для выполнения задачи изобретения на S-вход RS-триггера 1-3 телевизионной камеры 1 с компьютера 2 подается импульс положительной полярности. В момент совпадения высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом входе CLC состояние триггера изменяется. На прямом выходе (Q) триггера 1-3 устанавливается сигнал логической единицы («1»).
к
Последний подается на первый управляющий вход блока 1-6 и на первый управляющий вход датчика 1-2. Поэтому схема АРУ в датчике 1-2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу блока 1-6. Отметим, что независимо от этой коммутации селектор 1-4 синхроимпульсов продолжает выделять на выходе кадровые импульсы, а на выходе счетчика-делителя 1-5 формируются импульсы с периодом Т.
m
m.
m
При этом на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 1-5 на втором управляющем входе датчика 1-2 устанавливается любая логическая комбинация, которая предлагается оператором компьютера для выполнения рекурсивной фильтрации видеосигнала. Если, например, (см.табл.1), оператор компьютера подаст в телевизионную камеру код управления «0001», тогда на выходе ЦАП1-1-7 будет сформирован аналоговый сигнал с уровнем 0,25 В, а коэффициент усиления видеосигнала фотоприемника составит: (0,25/3,75) K=0,066KЕсли же оператор направит управляющий код «0010», тогда величина сигнала на выходе ЦАП 1-7 уже будет 0,50 В, а коэффициент усиления видеосигнала фотоприемника увеличится до уровня 0,133 K и так далее. Отметим главное: формирование видеосигналов различного размаха выполняется дистанционно и оперативно, а поэтому обеспечивается возможность получение их оптимума по величине.
m
Когда же с выхода блока 1-5 будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика 1-2 установится логическая комбинация «1111», гарантирующая коэффициент усиления видеосигнала фотоприемника, равный K (см. табл. 1).
Благодаря этому преобразованию датчик 1-2, а, следовательно, и телевизионная камера 1, формируют мультиплексный сигнал изображения.
Мультиплексный видеосигнал поступает по линии связи 3 на вход «Видео» платы видео, установленной в разъем расширения на материнской плате компьютера 2. Так как блокировка снята, плата видео реализует возложенные на нее функции задержки входного видеосигнала и взвешенного суммирования видеосигналов.
При необходимости возвращения телевизионной камеры в исходный режим работы следует подать с компьютера импульс положительной полярности на вход R-вход RS-триггера 1-3. Тогда состояние триггера изменится, на прямом его выходе (Q) установится сигнал логического «О», а в датчике 1-2 будет восстановлено функционирование схемы АРУ.
m
Одновременно для платы видео в компьютере будет восстановлено состояние блокировки функций задержки видеосигнала и взвешенного суммирования. Поэтому на выход «Видео» этой платы будет транслироваться цифровой телевизионный сигнал изображения, который повторяет видеосигнал датчика 1-2 с коэффициентом усиления K.
В заявляемом техническом решении способа формирования сигнала изображения интерферограмм обеспечивается повышенная точность их регистрации путем цифровой регулировки степени рекурсивной фильтрации видеосигнала телевизионной камеры за счет дистанционного и цифрового управления с компьютера пользователя показателем коэффициента усиления фотоприемника, выполненного по технологии КМОП.
В настоящее время все блоки структурной схемы устройства на фиг. 1, реализующего предлагаемый способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью.
Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2507706 РФ. МПК H04N 7/18. Способ компьютерной регистрации сигнала изображения интерферограмм / В.М. Смелков // Б.И. - 2014. - №5.
2. 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.
3. Токхейм Р. Основы цифровой электроники. Перевод с англ. - М.: «Мир», 1988.