Телевизионный анализатор на матрице приборов с зарядовой связью

 

Использование: в телевизионной технике, преимущественно в телевизионных анализаторах, осуществляющих регистрацию подвижных объектов. Сущность изобретения: телевизионный анализатор содержит оптический блок 1, матрицу 2 приборов с зарядовой связью, состоящую из секции накопления 2.1, двух секций хранения 2.2, 2.6, двух регистров 2.3, 2.7, двух блоков 2.4, 2.8 преобразования заряда в напряжение и разделительного электрода 2.5, а также усилителя 3.5, блок вычитания 4, компаратор 6, формирователь 7 сигнала тревоги, шесть преобразователей уровня 8 13, формирователь импульсов 14, блок 15 регулировки апертуры, два коммутатора 16, 17 и видеоконтрольный блок 18. Цель повышение точности регистрации подвижных объектов средних и крупных размеров. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в телевизионных анализаторах, регистрирующих подвижные объекты.

Известен телевизионный анализатор [1] содержащий последовательно включенные оптический блок и первую матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС), состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, секции хранения, выходного регистра и блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также вторую матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью входного регистра, блока преобразования напряжения в заряд (БПНЗ), секции накопления, секции хранения, выходного регистра и БПЗН, причем управляющие входы секций, регистров и БПЗН матриц ПЗС соединены с соответствующими выходами генератора управляющих напряжений, состоящего из последовательно соединенных формиpователя импульсов (ФИ) и преобразователей уровня (ПУ), при этом выход БПЗН первой матрицы ПЗС подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания и к входу БПНЗ второй матрицы ПЗС, выход БПЗН которой соединен через второй видеоусилитель с вторым входом блока вычитания, выход которого подключен к компаратору, второй вход которого является входом порогового напряжения, причем выход первого видеоусилителя подключен к входу "ВИДЕО" видеоконтрольного блока, вход "СИНХРО" которого соединен с выходом импульсов синхронизации ФИ.

Недостатком анализатора является возможность ложных срабатываний от мелких подвижных объектов, которые в пересчете на фотомишень матрицы ПЗС имеют размеры не более одного или нескольких ПЗС-элементов. Такими объектами могут быть капли дождя, падающие снежинки, шелест листвы и т.д. Эти "паразитные" объекты сопровождают реальные подвижные объекты средних и крупных размеров, которые занимают на мишени фотоприемника площади от десяти до нескольких десятков и сотен ПЗС-элементов (первая условная группа объектов) и более нескольких сотен ПЗС-элементов (вторая группа).

Известен анализатор [2] содержащий последовательно включенные оптический блок и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первого регистра, первого БПЗН, а также разделительного электрода, секции хранения, второго регистра и второго БПЗН, причем управляющие входы секции накопления, первого и второго регистров, первого и второго БПЗН, разделительного электрода и секции хранения соединены с соответствующими входами генератора управляющих напряжений, состоящего из последовательно соединенных ФИ и ПУ, при этом выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания, а выход второго БПЗН через видеоусилитель к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с компаратором, второй вход которого является входом порогового напряжения, причем выход первого видеоусилителя подключен к входу "ВИДЕО" видеоконтрольного блока, выход "СИНХРО" которого соединен с выходом импульсов синхронизации ФИ.

По сравнению с первым аналогом во втором аналоге повышена точность регистрации подвижных объектов за счет уменьшения погрешностей межкадрового вычитания (снижения уровня линейных и нелинейных искажений), выполняемого при помощи специализированной матрицы ПЗС, которая содержит дополнительный универсальный выходной регистр (первый регистр) и разделительный электрод между ним и секцией хранения. Однако возможность ложных срабатываний от мелких подвижных объектов не устранена. Кроме того, видеосигнал текущего кадра, используемый для визуального контроля ситуации на объекте на видеоконтрольном блоке "загрязнен" смазом из-за большой длительности кадрового переноса зарядового изображения с фотомишени, осуществляемого на фоне ее непрерывной освещенности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телевизионный анализатор [3] содержащий последовательно включенные оптический блок и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого регистра первого БПЗН, а также разделительного электрода второй секции хранения, второго регистра и второго БПЗН, причем управляющие входы секции накопления, первой и второй секций хранения, первого и второго регистров, разделительного электрода, первого и второго БПЗН соединены с соответствующими выходами генератора управляющих напряжений, состоящего из последовательно соединенных ФИ и ПУ, при этом выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания, а выход второго БПЗН через второй видеоусилитель к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с компаратором, второй вход которого является входом порогового напряжения, а выход подключен к формирователю сигнала тревоги, причем выход первого видеоусилителя соединен с входом "ВИДЕО" видеоконтрольного блока, вход "СИНХРО" которого подключен к выходу импульсов синхронизации ФИ.

В прототипе устранен смаз видеосигнала текущего кадра благодаря введению в матрицу ПЗС дополнительной (второй) секции хранения,однако возможны ложные срабатывания от мелких подвижных объектов, маскирующих фон на мишени фотоприемника, что снижает точность регистрации устройством реальных объектов.

Задачей изобретения является разработка анализатора с повышенной точностью регистрации подвижных объектов средних и крупных размеров.

Физическая сущность изобретения состоит в том, что во время автоматического (без участия человека) слежения за ситуацией считывание сигнала изображения с матрицы ПЗС выполняется в режиме с укрупненной дискретно и плавно площадью апертуры. После регистрации подвижного объекта контроля матрица ПЗС переключается на режим считывания сигнала изображения с традиционной одноэлементной апертурой, обеспечивая оператору визуальный контроль обстановки с максимальной четкостью изображения и возможность отменить "автоматическое" решение о тревоге.

Таким образом, в техническом решении анализатора заложен двойной контроль за ситуацией при оптимальных режимах работы матрицы ПЗС в каждом из состояний. Поэтому предлагаемое решение соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 представлена структурная схема телевизионного анализатора на матрице приборов с зарядовой связью; на фиг.2 структурная схема блока регулировки апертуры; на фиг.3-7 временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Телевизионный анализатор (фиг.1) содержит оптический блок 1, матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью секции 2.1 накопления, первой секции 2.2 хранения, первого регистра 2.3, первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН) 2.4, а также разделительного электрода 2.5, второй секции хранения 2.6, второго регистра 2.7 и второго БПЗН 2.8, а также первый видеоусилитель 3, блок 4 вычитания, второй видеоусилитель 5, компаратор 6, формирователь 7 сигнала тревоги, шесть преобразователей уровня (ПУ) 8-13, формирователь импульсов (ФИ) 14, блок 15 регулировки аппертуры, первый 16 и второй 17 коммутаторы и видеоконтрольный блок 18.

Блок 15 регулировки апертуры (БРА) (фиг.2) содержит первый элемент И 19, второй элемент И 20, элемент И-НЕ 21, первый инвертор 22, второй инвертор 23, первый делитель частоты 24, первый переключатель 25, третий элемент И 26, второй делитель 27 частоты, второй переключатель 28, одновибратор 29, четвертый элемент И 30, пятый элемент И 31, первый элемент ИЛИ 32 и второй элемент ИЛИ 33.

Анализатор работает следующим образом.

Этап 1. На этом этапе производится анализ ситуации и автоматическое (машинное) принятие решения о появлении в поле зрения матрицы 2 ПЗС движущегося объекта с формированием сигнала тревоги.

Этап 2. На этом этапе производится визуальный контроль ситуации человеком оператором с экрана видеоконтрольного блока 18 после появления сигнала тревоги.

Предположим, что в качестве фотоприемника используется трехфазная матрица ПЗС с каналом n-типа. Допустим также, что паразитные объекты по отдельности занимают на фотомишени площади не более одного ПЗС-элемента, а оператором выбрана дискретная апертура "2х2".

На этапе 1 ключи коммутаторов 16 и 17 находятся в положении показанном на фиг. 1. При этом, как и для прототипа, на фазовые электроды секции 2.1 накопления матрицы 2 ПЗС с выходов ПУ 8 подаются импульсные смещения (фиг.3, б-г), обеспечивающие в потенциальных ямах под вторыми шинами накопление зарядов в течение прямого хода кадровой развертки. Во время последующего обратного хода по кадру благодаря действию на электродах секции 2.1 накопления и первой секции 2.2 хранения импульсов кадрового переноса (фиг.3,б-г. и 3,д-ж) производится параллельное смещение зарядового рельефа условного 1-го кадра в секцию 2.2.

В интервале прямого хода текущего кадра зарядовая картина 1-го кадра, как и для прототипа, переписывается из секции 2.2 через регистр 2.3 и разделительный электрод 2.5 построчно в секцию 2.6. Характер импульсных смещений, подаваемых на это время на фазовые шины секции 2.2, соответствует фиг.3,д-ж, на электрод 2.5 фиг.3,з (или в другом масштабе фиг.7,д), на фазовые шины регистра 2.3 фиг.7,б-г, а на фазовые шины секции 2.6 фиг.3,и-л.

Одновременно с процессом переноса зарядовой картины 1-го кадра в секцию 2.6 в секции 2.1 производится накопление нового (условно 2-го) кадра. В течение последующего обратного хода кадровой развертки осуществляется перенос зарядового рельефа 2-го кадра в секцию 2.2 и хранение под вторыми фазовыми шинами в секции 2.6 зарядовой картины 1-го кадра.

Затем в интервале прямого хода текущего кадра выполняется раздельное считывание зарядов 1-го кадра в регистре 2.7 и блоке 2.8 и 2-го кадра соответственно в регистре 2.3 и блоке 2.4. Отметим, что для регистра 2.3 это становится возможным благодаря тому, что разделительный электрод 2.5 "изолирует" его от секции 2.6.

Из-за выбранной площади апертуры "2х2" в регистрах 2.3 и 2.7 до начала поэлементного переноса суммируются заряды двух ближайших строк, а в блоках 2.4 и 2.8 складываются заряды двух ближайших элементов в строке до начала их поэлементного преобразования в напряжение сигнала изображения. Характер сигналов, подаваемых на регистры, показан на фиг. 4,и-л, а на БПЗН на фиг. 6, в.

Таким образом, для сигналов изображения 1-го и 2-го кадров выполняется операция фильтрации сокращением верхней пространственной частотой профильтрованного изображения. Так как спектральное положение видеосигналов от паразитных объектов находится вне сформированной сквозной частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) канала изображения, то они селектируются и не обнаруживаются на выходах блоков 2.4 и 2.8. В результате сигнал межкадровой разности на выходе блока 4 вычитания равен нулю, компаратор 6 не опрокидывается и ложная тревога на вход формирователя 7 не проходит.

Если размеры паразитных объектов увеличиваются, то для устранения их регистрации можно воспользоваться дальнейшим дискретным увеличением площади апертуры, например выбором апертуры "3х2", "2х3" или "3х3" и т.д.

Но, кроме того, возможна и плавная регулировка площади апертуры. При помощи регулировки длительности выходных импульсов в одновибраторе 29 и элементах ИЛИ 32, 33 на первых и вторых фазных шинах регистров формируются импульсные смещения, показанные на фиг. 4,м и 4,н. При этом дополнительно к потенциальным ямам, образованным под третьими шинами регистров (фиг.4,л), создаются потенциальные ямы под первыми и вторыми электродами путем приложения к ним высокого потенциала, этим вызывается растекание зарядов по горизонтали. Степень растения (степень зарядовой расфокусировки) характеризует увеличение геометрических размеров апертуры по горизонтали, а следовательно, дополнительное сужение ЧКХ и фильтрацию зарядового изображения. В целом при выборе площади апертуры в процессе калибровки анализатора рекомендуется при помощи указанных регулировок добиваться перехода устройства через своеобразный "барьер", отделяющий регистрацию ложных объектов и невосприимчивость к ним.

Если теперь в поле зрения анализатора появляется подвижный объект средних или крупных размеров, то сигнал межкадровой разности превышает пороговое напряжение U_оп, а компаратор 6 опрокидывается. При этом формирователь 7 сигнала устанавливается в новое логическое состояние, ключи коммутаторов 16 и 17 займут новое положение, а анализатор переходит на этап 2 своей работы.

В результате матрица 2 ПЗС обеспечивает считывание видеоинформации с обоих каналов с апертурой "1х1". При этом телевизионное изображение, воспроизводимое с выхода видеоусилителя 3 на видеоконтрольном блоке 18, будет иметь максимальную для фотоприемника разрешающую способность. Оператор принимает окончательное решение по характеру нарушения, а далее при помощи органа управления "Сброс тревоги" на блоке 7 может вновь установить анализатор в режим работы на этапе 1.

В предлагаемом решении увеличение точности регистрации анализатором средних и крупных подвижных объектов осуществляется путем увеличения площади считывающей апертуры непосредственно в фотоприемнике. По сравнению с известными приемами, когда видеосигнал с камеры подвергается необходимой обработке во внешнем устройстве со сложными алгоритмами работы, в данном решении затраты на вводимые блоки и связи существенно ниже.

В настоящее время все блоки заявленного анализатора освоены отечественной промышленностью, поэтому изобретение соответствует требованию о промышленной применимости.

Формула изобретения

1. ТЕЛЕВИЗИОННЫЙ АНАЛИЗАТОР НА МАТРИЦЕ ПРИБОРОВ С ЗАРЯДОВОЙ СВЯЗЬЮ, содержащий последовательно соединенные оптический блок и матрицу приборов с зарядовой связью (ПЗС), состоящую на последовательно связанных зарядовой связью секции накопления, первой секции хранения, первого регистра, первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также разделительного электрода, второй секции хранения, второго регистра и второго БПЗН, причем выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель к первому входу блока вычитания, а выход второго БПЗН через второй видеоусилитель к второму входу блока вычитания, выход которого соединен с компаратором, 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 хранения, второй секции хранения и объединенные первые, вторые и третьи управляющие входы первого и второго регистров подключены к соответствующим выходам первого четвертого преобразователей уровня (ПУ), а управляющие входы разделительного электрода и объединенные управляющие входы первого и второго БПЗН к выходам пятого и шестого ПУ соответственно, причем управляющий вход первого ПУ соединен с первым выходом формирователя импульсов (ФИ), второй выход которого подключен к управляющему входу второго ПУ, третий выход к управляющему входу третьего ПУ, четвертый выход к управляющему входу пятого ПУ, а выход импульсов синхронизации к входу "Синхро" видеоконтрольного блока, отличающийся тем, что в него введены блок регулировки апертуры (БРА), первый и второй коммутаторы, при этом выход сигнала управления первой фазой регистра ФИ подключен к первому входу БРА и второму информационному входу первого коммутатора соответственно, выход сигнала управления второй фазой регистра ФИ к второму входу БРА и четвертому информационному входу коммутатора соответственно, выход сигнала управления третьей фазой регистра ФИ к третьему входу БРА и шестому информационному входу первого коммутатора соответственно, выход сигнала управления сбросом ФИ к четвертому входу БРА и восьмому информационному входу первого коммутатора соответственно, выход строчного гасящего импульса ФИ к пятому входу БРА, выход сигнала запуска плавной расфокусировки ФИ к шестому входу БРА, а выход сигнала полукадровой частоты ФИ к седьмому входу БРА, причем первый выход БРА соединен с первым информационным входом первого коммутатора, второй выход БРА с третьим информационным входом первого коммутатора, третий выход БРА - с пятым информационным входом первого коммутатора, четвертый выход БРА с седьмым информационным входом первого коммутатора, управляющий вход которого подключен к выходу формирователя сигнала тревоги и соответственно к управляющему входу второго коммутатора, а первый выход первого коммутатора подключен к входу управления первой фазой четвертого ПУ, второй выход к входу управления второй фазой четвертого ПУ, третий выход к входу управления третьей фазой четвертого ПУ, четвертый выход к управляющему входу шестого ПУ, при этом выход первого видеоусилителя соединен через второй коммутатор с входом "Видео" видеоконтрольного блока.

2. Анализатор по п.1, отличающийся тем, что БРА содержит первый пятый элементы И, элемент И НЕ, первый и второй инверторы, первый и второй делители частоты, одновибратор, а также первый и второй элементы ИЛИ, при этом первый вход БРА подключен к первому входу первого элемента И, второй вход к первому входу второго элемента И, третий вход через первый инвертор к первому входу элемента И НЕ, четвертый вход к входу делителя частоты и соответственно к первому входу пятого элемента И, пятый вход к входу первого делителя частоты, первому входу четвертого элемента И и соответственно через второй инвертор к первому входу третьего элемента И, шестой вход к входу второго делителя частоты и соответственно к первому входу одновибратора, а седьмой вход к объединенным входам первого и второго элементов И и элемента И НЕ, третьи входы которых объединены и соединены с выходом третьего элемента И, второй вход которого подключен через первый переключатель к выходу первого делителя частоты,причем выход одновибратора соединен с вторым входом четвертого элемента И, выход которого подключен к объединенным первым входам первого и второго элементов ИЛИ, вторые входы которых соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И, а второй вход пятого элемента И подключен через второй переключатель к выходу второго делителя частоты, при этом выход первого элемента ИЛИ является первым выходом БРА, выход второго элемента ИЛИ вторым выходом БРА, выход элемента И НЕ третьим выходом БРА, а выход пятого элемента И четвертым выходом БРА.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7