ТЕЛЕВИЗИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
TELEVISION DEVICE TO DETECT MOBILE OBJECTS

Изобретение относится к телевидению и может быть использовано при построении телевизионных устройств, выполненных на базе фотоприемника в виде матрицы приборов с зарядовой связью (матрицы ПЗС), для обнаружения находящихся в ее поле зрения подвижных объектов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов [1], содержащее последовательно расположенные и оптически связанные объектив и мишень матрицы ПЗС, состоящей из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления (мишени), первой секции памяти, первого выходного регистра, первого блока преобразования «заряд - напряжение» (БПЗН), разделительного электрода, второй секции памяти и второго БПЗН, причем управляющие входы секции накопления, первой и второй секций памяти, разделительного электрода, первого и второго выходных регистров матрицы ПЗС соединены с соответствующими выходами генератора управляющих напряжений, состоящего из последовательно соединенных синхронизатора и комплекта преобразователей уровня (комплекта ПУ), состоящего из отдельных ПУ для каждого из массивов матрицы ПЗС, при этом выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания, а выход второго БПЗН - через второй видеоусилитель ко второму входу блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом компаратора, второй вход которого является входом порогового напряжения, а выход подключен к формирователю сигнала тревоги.
Недостатком прототипа является возможность возникновения ложных срабатываний при кратковременных (импульсных) изменениях освещенности, например, при нестабильной подсветке в зоне контроля.
Задача изобретения - повышение точности регистрации подвижных объектов путем устранения ложных срабатываний устройства при импульсных всплесках освещенности в контролируемом пространстве.
Поставленная задача решается тем, что в телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов, содержащее последовательно расположенные объектив и трехфазную матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции памяти, первого выходного регистра, первого БПЗН, разделительного электрода, второй секции памяти, второго выходного регистра и второго БПЗН, причем выход первого БПЗН матрицы ПЗС подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания, а выход второго БПЗН -через второй видеоусилитель ко второму входу блока вычитания, выход которого соединен с информационным входом компаратора, второй вход которого является входом порогового напряжения, а выход подключен к формирователю сигнала тревоги, при этом первые, вторые и третьи управляющие входы секции накопления, первой секции памяти, второй секции памяти, объединенные первые, вторые и третьи управляющие входы первого и второго выходных регистров, а также управляющий вход разделительного электрода матрицы ПЗС подключены к соответствующим выходам первого ПУ, второго ПУ, третьего ПУ, четвертого ПУ и пятого ПУ соответственно, причем управляющий вход второго ПУ соединен с первым выходом синхронизатора, второй выход которого подключен к управляющему входу третьего ПУ, третий выход синхронизатора - к управляющему входу четвертого ПУ, а четвертый выход синхронизатора - к управляющему входу пятого ПУ, введены формирователь импульсов (ФИ) и последовательно соединенные блок измерения заряда, пиковый детектор и первый блок выборки-хранения, последовательно соединенные делитель напряжения и первый умножитель напряжения, а также последовательно соединенные второй блок выборки-хранения и второй умножитель напряжения, при этом вход ФИ подключен к пятому выходу синхронизатора, первый выход ФИ - к управляющему входу первого ПУ, второй выход ФИ - к входу «Сброс» пикового детектора, третий выход ФИ - к управляющему входу первого блока выборки-хранения, четвертый выход ФИ - к управляющему входу второго блока выборки-хранения, а пятый выход ФИ - к стробирующему входу компаратора, второй управляющий вход секции накопления матрицы ПЗС соединен с входом блока измерения заряда, а выход первого блока выборки-хранения подключен к первому входу делителя напряжения, второй вход которого подключен к выходу пикового детектора, а выход делителя напряжения - к входу второго блока выборки-хранения, выход первого видеоусилителя подключен ко второму входу первого умножителя напряжения, а выход второго видеоусилителя - ко второму входу второго умножителя напряжения, при этом выход первого умножителя напряжения подключен к первому входу блока вычитания, а выход второго умножителя напряжения - ко второму входу блока вычитания.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое телевизионное устройство отличается наличием новых блоков: формирователя импульсов (ФИ), блока измерения заряда, пикового детектора, делителя напряжения, первого и второго блоков выборки-хранения, первого и второго умножителя напряжения, а также связей этих блоков с остальными блоками.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
Исключение ложных срабатываний телевизионного устройства достигается путем выполнения опережающих и неразрушающих измерений зарядового рельефа непосредственно на мишени матрицы ПЗС и последующего учета результатов этих измерений при формировании видеосигнала межкадровой разности.
Поэтому данное решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого телевизионного устройства; на фиг.2 - возможная электрическая схема пикового детектора; на фиг.3 - возможная электрическая схема первого или второго блока выборки-хранения; на фиг.4…5 - функциональная схема формирователя пилообразного сигнала (в составе ФИ), необходимого для выполнения неразрушающих измерений фотозарядов, и временная диаграмма, поясняющая работу этого формирователя; на фиг.6…10 - временные диаграммы, поясняющие работу заявляемого решения в целом; на фиг.11 - электрическая схема формирователя (в составе ФИ) сигнала управления первой фазой секции накопления матрицы ПЗС; на фиг.12 - структурная схема блока измерения заряда.
n
n
1
2
1
2
Телевизионное устройство для обнаружения подвижных объектов (фиг.1) содержит последовательно расположенные объектив 1 и трехфазную матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции 2-1 накопления, первой секции 2-2 памяти, первого выходного регистра 2-3, первого БПЗН 2-4, разделительного электрода 2-5, второй секции 2-6 памяти, второго выходного регистра 2-7 и второго БПЗН 2-8; в состав заявляемого телевизионного устройства входят первый видеоусилитель 3, второй видеоусилитель 4, блок вычитания 5, компаратор 6, второй вход которого является входом порогового напряжения U, формирователь 7 сигнала тревоги, синхронизатор 8, первый ПУ 9, второй ПУ 10, третий ПУ 11, четвертый ПУ 12, пятый ПУ 13, ФИ 14, а также последовательно соединенные блок 15 измерения заряда, пиковый детектор 16 и первый блок 17 выборки-хранения, последовательно соединенные делитель 18 напряжения и первый умножитель 19 напряжения, последовательно соединенные второй блок 20 выборки-хранения и второй умножитель 21 напряжения, причем выход БПЗН 2-4 матрицы ПЗС подключен через видеоусилитель 3 к первому входу блока 5 вычитания, а выход БПЗН 2-8 - через видеоусилитель 4 ко второму входу блока 5 вычитания, выход которого соединен с информационным входом компаратора 6, второй вход которого является входом порогового напряжения U, а выход подключен к формирователю 7 сигнала тревоги, при этом первые, вторые и третьи управляющие входы секции 2-1, секции 2-2, секции 2-6, объединенные первые, вторые и третьи управляющие входы выходных регистров 2-3 и 2-7, а также управляющий вход разделительного электрода 2-5 матрицы ПЗС подключены к соответствующим выходам ПУ 9, ПУ 10, ПУ 11, ПУ 12 и ПУ 13 соответственно, причем управляющий вход ПУ 10 соединен с первым выходом синхронизатора 8, второй выход которого подключен к управляющему входу ПУ 12, третий выход синхронизатора 8 - к управляющему входу ПУ 11, четвертый выход синхронизатора 8 - к управляющему входу ПУ 13, а пятый выход синхронизатора 8 - к входу ФИ 14, первый выход которого подключен к управляющему входу ПУ 9, второй выход ФИ 14 (обозначен «ИС») - к входу «Сброс» пикового детектора 16, третий выход ФИ 14 (обозначен «ИВ1») - к управляющему входу блока 17 выборки-хранения, четвертый выход ФИ 10 (обозначен «ИВ2») - к управляющему входу блока 20 выборки-хранения, а пятый выход ФИ 10 (обозначен «ИР») - к стробирующему входу компаратора 6; второй управляющий вход секции 2-1 матрицы ПЗС соединен с входом блока 15 измерения заряда, а выход блока 17 выборки-хранения подключен к первому входу (обозначен «U») делителя 18 напряжения, второй вход которого (обозначен «U») подключен к.выходу пикового детектора 16, а выход делителя 18 напряжения (обозначен «U/U») - к входу блока 20 выборки-хранения; выход видеоусилителя 3 подключен ко второму входу умножителя 19 напряжения, а выход видеоусилителя 4 - ко второму входу умножителя 21 напряжения, при этом выход умножителя 19 напряжения подключен к первому входу блока 5 вычитания, а выход умножителя 21 напряжения - ко второму входу блока 5 вычитания.
Матрица 2 ПЗС, как и у прототипа, имеет организацию «кадровый перенос» и содержит на одном кристалле три секции: 2-1, 2-2 и 2-6, два выходных регистра: 2-3 и 2-7, разделительный электрод 2-5 и два БПЗН: 2-4 и 2-8. Отметим, что отечественный прибор А-1131 с каналом n-типа и трехфазным управлением секциями и регистрами, разработанный специально для телевизионных детекторов движения, с целью выделения сигнала межкадровой разности, потенциально обладает необходимой схемотехнической организацией и может считаться технологическим заделом для реализации изобретения. Информация о приборе А-1131 опубликована в работе [2].
Временная диаграмма управления матрицей ПЗС, которая была использована при разработке прибора А-1131, а затем на его базе телевизионного устройства прототипа, изображена на фиг.6…9.
Приведем типовые наименования сигналов, представленных на фиг.6:
фиг.6а - первая фаза управления секцией 2-1;
фиг.6б - вторая фаза управления секцией 2-1:
фиг.6в - третья фаза управления секцией 2-1;
фиг.6г - первая фаза управления секцией 2-2;
фиг.6д - вторая фаза управления секцией 2-2;
фиг.6е - третья фаза управления секцией 2-2;
фиг.6ж - управление разделительным электродом 2-5.
Эпюры сигналов, представленных на фиг.7, выполнены в одном временном масштабе с эпюрами на фиг.6, а для удобства пользования временной диаграммой фиг.7а повторяет фиг.6ж.
Перечислим обозначения сигналов, изображенных на фиг.7:
фиг.7а - управление разделительным электродом 2-5;
фиг.7в - первая фаза управления секцией 2-6;
фиг.7г - вторая фаза управления секцией 2-6;
фиг.7д - третья фаза управления секцией 2-6.
Подробности «импульсного содержания» фазных сигналов на временных участках «А» и «Б» в увеличенном масштабе можно увидеть на фиг.8-9.
Импульс, показанный на фиг.7б пунктиром, отмечает временное положение интервала межкадрового вычитания видеосигналов.
Отметим, что трехфазные сигналы управления выходным регистром 2-3, совпадающие с трехфазными сигналами управления регистром 2-7, ничем не отличаются от аналогичных сигналов управления выходным регистром для известной ранее двухсекционной матрицы ПЗС, а поэтому их эпюры в материалах настоящей заявки не приводятся.
к
Синхронизатор 8, как и в прототипе, выполняет функции синхрогенератора и формирователя логической последовательности импульсов, необходимых для работы матрицы ПЗС в режиме межкадрового вычитания с периодом 2Т, в темпе телевизионного стандарта.
Формирователь импульсов ФИ 14, используя выходные сигналы синхронизатора 8 в качестве входных управляющих сигналов, обеспечивает необходимое логическое дополнение к управлению матрицей ПЗС в заявляемом устройстве. Прежде всего, это дополнение относится к формированию нового сигнала управления первой фазой секции 2-1 накопления. Формирование этого сигнала в настоящем описании будет рассмотрено, но несколько позднее.
В составе формирователя импульсов ФИ 14 реализуются также и служебные сигналы, необходимые для выполнения периодических неразрушающих измерений уровня зарядового рельефа в матрице 2 ПЗС.
Структурная схема формирователя этих сигналов (см. фиг.4) содержит генератор пилообразного напряжения, коммутатор и элемент «И».
с
к
к
При этом на первый вход формирователя подаются с периодом Т строчные гасящие импульсы (см. фиг.5а), а на второй вход - импульсы измерительной строки с периодом Т (см. фиг.5в). В качестве измерительной строки целесообразно выбрать первую строку в интервале кадрового гасящего импульса (кадрового бланка с периодом Т). Промежуточные и выходные сигналы формирователя изображены на эпюрах:
фиг.5б - выход генератора пилообразного напряжения;
фиг.5г - выход элемента «И»;
фиг.5д - выход коммутатора.
Генератор линейного пилообразного напряжения может быть выполнен по схеме генератора на базе двух операционных усилителей (см., например, [3, с.257]), а коммутатор - с использованием аналоговых ключей отечественных микросхем серии К590 (см. [4, с.447]).
Блок 15 измерения заряда предназначен для выделения информации о распределении заряда по всей поверхности секции 2-1 матрицы ПЗС и содержит (см. фиг.12) последовательно соединенные преобразователь «ток - напряжение» и усилитель напряжения.
Преобразователь тока в напряжение может быть выполнен на одном операционном усилителе (см. [5, с.57]).
Отметим, что это преобразование «заряд - напряжение» в отличие от преобразования, выполняемого в БПЗН 2-4 или в БПЗН 2-8 матрицы ПЗС, является безразверточным. Термин «безразверточный» предложен авторами монографии [6, с.96] и означает, что съем видеосигнала осуществляется без соблюдения режима твердотельной развертки, т.е. он не привязан к координате конкретного элемента (пиксела) фотоприемника.
Формирование логического сигнала управления первой фазой секции накопления матрицы ПЗС в настоящем решении выполняется в ФИ 14 и может быть реализовано по схеме, изображенной на фиг.11.
Электрическая схема формирователя собрана на двух цифровых микросхемах DD1, DD2 и одной аналоговой микросхеме DA1. На вход 1 формирователя подается сигнал управления первой фазой секции 2-1, который используется в прототипе (см. фиг.10д) (Эта эпюра в другом масштабе была ранее представлена на фиг.6а), на вход 2 - кадровый гасящий импульс (см. фиг.10а), на вход 3 - сигнал кадровой «пилы» (см. фиг.10и), а на вход 4 - положительный импульс, определяющий длительность «пилы» (см. фиг.10з).
Отметим, что сигнал «пилы» и импульс ее длительности вырабатываются на выходах другого формирователя (см. фиг.4), работа которого была рассмотрена выше.
Представим и промежуточные сигналы для схемы на фиг.10:
- выход микросхемы DD1.1 - фиг.10е);
- выход микросхемы DD2 - фиг.10ж.
Выходной сигнал формирователя, являющийся логическим сигналом управления первой фазой секции 2-1, показан на фиг.10к.
На временной диаграмме, изображенной на фиг.10, представлены и эпюры сигналов, необходимых для работы блоков 16, 17 и 20. Согласно принятым обозначениям это следующие импульсы, формируемые в ФИ 14:
- «ИС» - фиг.10б;
- «ИВ1» - фиг.10в;
- «ИВ2» - фиг.10г.
Пиковый детектор 16 предназначен для запоминания напряжения, пропорционального максимальному уровню зарядового рельефа, который измеряется блоком 15.
Возможная электрическая схема блока 16 показана на фиг.2. Перед началом очередного цикла измерений выполняется обнуление детектора при помощи кратковременного по длительности положительного импульса «ИС», подаваемого на вход «Сброс».
Первый блок 17 выборки-хранения и второй блок 20 выборки-хранения предназначены для быстрого заряда накопительного элемента (конденсатора) до значения входного напряжения по поданной команде и удержании этого входного напряжения на выходе в течение продолжительного времени.
Возможная электрическая схема реализации блоков 17, 20 представлена на фиг.3. Отметим, что на управляющий вход блока 17 подается импульс «ИВ1», а на управляющий вход блока 20 - импульс «ИВ2».
Первый умножитель 19 напряжения, второй умножитель 21 напряжения и делитель 18 напряжения предназначены для выполнения с входными аналоговыми сигналами арифметических операций умножения и деления. Каждая их этих операций может быть реализована с использованием высококачественных микросхем MPY-100 фирмы Burr-Brown или AD534 фирмы Analog Devices (см., например, [5, с.248]).
n
к
Компаратор 6, как и в прототипе, предназначен для сравнения по уровню информационного сигнала с выхода блока 5 вычитания и порогового напряжения Un со скачкообразным изменением выходного напряжения в случае, когда информационный сигнал больше U. Особенностью компаратора 6 является выполнение сравнения только при условии, когда на его стробирующем входе присутствует высокий логический уровень. Это нужно для исключения ложных срабатываний компаратора. Необходимый импульсный сигнал управления (обозначен «ИР» на фиг.1) действует с периодом 2Т и формируется на пятом выходе ФИ 14, а его временное положение в циклограмме управления матрицей ПЗС соответствует пунктирному изображению на фиг.7б.
Объектив 1, матрица 2 ПЗС, первый видеоусилитель 3, второй видеоусилитель 4, блок 5 вычитания, формирователь 7 сигнала тревоги, синхронизатор 8 и преобразователи уровней ПУ 9-ПУ13 не отличаются по схемотехническому исполнению от соответствующих блоков прототипа.
Заявляемое устройство (см. фиг.1) работает следующим образом. Изображение контролируемого пространства проецируется объективом 1 на секцию 2-1 накопления матрицы 2 ПЗС.
к
к
В секции 2-1 матрицы ПЗС с периодом Т выполняется зарядовое накопление текущего информационного кадра. Как и в прототипе, с периодом 2Т осуществляется параллельное считывание зарядов накопленных соседних кадров (первого и второго, третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого, девятого и десятого, … и так далее). При этом зарядовые пакеты для одного из них доставляются (переносятся) по направлению: секция 2-1 накопления - секция 2-2 памяти - выходной регистр 2-3 -БПЗН 2-4, а для другого по направлению: секция 2-1 накопления - секция 2-2 памяти - выходной регистр 2-3 (сквозное движение) - разделительный электрод 2-5 - секция 2-6 памяти - выходной регистр 2-7 - БПЗН 2-8. Временные диаграммы управляющих сигналов, представленные на фиг.6…9 иллюстрируют эти процессы зарядового переноса.
Процесс накопления фотозарядов в матрице ПЗС в настоящем решении имеет особенности, а поэтому заслуживает подробного рассмотрения.
Для определенности изложения будем считать, что в качестве фотоприемника 2 используется трехфазная матрица ПЗС с каналом n-типа.
к
В течение прямого хода кадровой развертки с периодом Т на первых (см. фиг.10к) и на вторых (см. фиг.6б) фазовых электродах секции 2-1 накопления действует высокое относительно корпуса и подложки матрицы смещение, обеспечивающее в потенциальных ямах под ними фотогенерацию информационных зарядов. В это время на третьи фазные шины секции 2-1 (см. фиг.6в) подается низкий потенциал, близкий к потенциалу подложки матрицы ПЗС, что исключает образование под третьими электродами фотомишени потенциальных ям. В интервале первой строки каждого кадрового бланка потенциал на первых электродах секции 2-1 линейно спадает (см. фиг.10к). В результате в каждом пикселе секции 2-1 начинается процесс переноса зарядов из потенциальных ям под первыми фазными шинами в потенциальные ямы под вторыми шинами. Потенциальные ямы под первыми фазовыми электродами монотонно разрушаются, а в цепи второго электрода секции 2-1 возникает ток, который максимален в первый момент, а затем монотонно спадает. Величина тока в этой внешней цепи является суммой токов каждом пикселе секции 2-1. Таким образом, внешний ток содержит полученную «безразверточным» методом информацию о распределении заряда по всей поверхности секции 2-1 матрицы ПЗС.
Блок 15 выполняет преобразование тока в напряжение, а пиковый детектор 16, который предварительно обнулен импульсом ИС (см. фиг.10б), запоминает максимальное значение этого напряжения.
1
к
Выходной сигнал пикового детектора 16, пропорциональный максимальному значению измеренного заряда, заряжает в интервале импульса ИВ1 (см. фиг.10в) конденсатор первого блока 17 выборки-хранения, который после окончания импульса запоминает напряжение входного сигнала U на время, равное периоду кадра (Т).
2
1
2
После завершения накопления последующего кадра на выходе пикового детектора 16 аналогично формируется напряжение сигнала U, пропорциональное максимальной величине зарядового массива нового кадра, а на выходе делителя 18 напряжения формируется сигнал U/U - отношение уровней освещенностей в соседних кадрах. Этот сигнал заряжает конденсатор второго блока 20 выборки-хранения в течение интервала импульса ИВ2 (см. фиг.10г) и хранится в нем в течение кадра.
1
2
1
2
1
2
Сигнал U/U подается также и на первый умножитель 19 напряжения. Если по освещенности соседние кадры одинаковы, то отношение U/U равно единице, а видеосигнал предыдущего кадра с выхода первого видеоусилителя 3 проходит через блок 19 на первый вход блока 5 вычитания без изменений. Если за время кадра произошло изменение освещенности объекта контроля, то на выходе делителя 18 сигнал U/U становится меньше единичного значения в число раз, пропорциональное отношению освещенностей в соседних кадрах. В результате уровень видеосигнала, поступающего с выхода видеоусилителя 3 на первый вход блока 5 вычитания, при прохождении через блок 19 для всех элементов изображения матрицы ПЗС пропорционально корректируется.
Совершенно аналогичному воздействию подвергается и сигнал изображения с выхода второго видеоусилителя 4 при прохождении через второй умножитель 21 напряжения на второй вход блока 5 вычитания.
Поэтому возникновение всплеска освещенности на мишени матрицы ПЗС не приводит к появлению сигнала межкадровой разности на входе блока 5 вычитания. На выходе блока 5 будет «нулевой» сигнал точно так же, как и при сопровождающем отсутствие движения на контролируемом объекте отсутствие самого всплеска освещенности. Компаратор 6 не изменяет своего состояния, а в итоге, ложная тревога в формирователе 7 предотвращается.
Если же на контролируемом объекте появляются подвижные объекты (в условиях имеющего место всплеска освещенности или при его отсутствии), то на выходе блока 5 вычитания возникает сигнал межкадровой разности, который изменяет состояние компаратора 6, а в итоге обеспечивает регистрацию действительной тревоги в формирователе 7.
В предлагаемом решении за счет опережающей оценки зарядового рельефа, формируемого на мишени матрицы ПЗС, обеспечивается устранение ложных срабатываний телевизионного устройства при импульсных всплесках освещенности в контролируемом пространстве. При прочих равных условиях этот результат гарантирует повышение вероятности обнаружения в зоне контроля подвижных объектов.
В настоящее время все блоки данного решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Евграфов Г.Н. и Скрылев А.С.Телевизионная камера на ФПЗС с кадровой аналоговой памятью. Тезисы докладов IV конференции «Приборы с зарядовой связью и системы на их основе» (Россия, Краснодарский край, г.Геленджик, 27 сентября - 2 октября 1992 г.). - Москва, 1992 г. - 152 с.
2. Скрылев А.С., Старовойтов В.И., Фрост Н.И. Фоточувствительный прибор с зарядовой связью А-1131 // Электронная промышленность. - 1991. - №7. - с.83.
3. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС./ Перевод с англ. - М.: «Мир», 1985.
4. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: «Радио и связь», 1990.
5. Пейтон Дж., Волш В. Аналоговая электроника на операционных усилителях. / Перевод с англ. - М.: «Бином», 1994.
6. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации. М.: «Радио и связь», 1991.