Устройство формирования сигнала изображения

 

Устройство формирования изображения относится к телевизионной технике и может быть использовано в системах наблюдения и контроля при значениях рабочей освещенности на объекте более 100000 лк, например для управления сварочными процессами тугоплавких материалов. Достигаемый технический результат - расширение верхнего предела диапазона рабочих освещенностей устройства. Результат выражается также в том, что для освещенностей на объекте, соответствующих новому верхнему участку диапазона, отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения автоматически поддерживается на уровне “не менее допустимого” при экономичном энергопотреблении устройства. Устройство содержит объектив (1), блок питания (3), два датчика телевизионного сигнала (2, 5), светоделитель (4), селектор синхроимпульсов (6), формирователь тестовой строки (7), пиковый детектор (8), компаратор (9), блок коммутации (10). 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к телевизионной технике и преимущественно может быть использовано в системах наблюдения и контроля при значениях рабочей освещенности на объекте более 100000 лк, например для управления сварочными процессами тугоплавких материалов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство формирования сигнала изображения [1, с.15], содержащее последовательно соединенные блок питания с выходным напряжением 12 В и телевизионную камеру VBP-551, состоящую из объектива и датчика телевизионного сигнала, фотомишень которого оптически связана с выходом объектива.

Устройство прототипа допускает работу в условиях яркого солнечного дня с освещенностью на объекте не более 100000 лк. При этом время экспозиции фотоприемника (время накопления матрицы ПЗС) в режиме электронного затвора составляет 1/1000000 с, а интегральный сигнал “смаза” изображения - 10%, что соответствует для зрительного восприятия изображения “пограничному” переходу от приемлемого к низкому качеству.

Недостатком прототипа является ограниченный верхний предел рабочих освещенностей устройства для ряда промышленных применений.

Задачей изобретения является расширение верхнего предела диапазона рабочих освещенностей устройства.

Технический результат заявляемого решения выражен в том, что для освещенностей на объекте, соответствующих новому верхнему участку диапазона, отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения автоматически поддерживается на уровне “не менее допустимого” при экономичном энергопотреблении устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее объектив, последовательно соединенные блок питания и первый датчик телевизионного сигнала, введены светоделитель, второй датчик телевизионного сигнала, последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь тестовой строки, а также последовательно соединенные пиковый детектор, компаратор и блок коммутации, при этом опорный вход компаратора, подключен к пороговому напряжению, а выход объектива оптически связан с входом светоделителя, первый выход которого оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя оптически связан с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, выход которого подключен к второму информационному входу блока коммутации, первый информационный вход которого подключен к выходу первого датчика телевизионного сигнала и соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к информационному входу пикового детектора, вход напряжения питания блока коммутации - к выходу блока питания, а выход напряжения питания блока коммутации - к входу питания второго датчика телевизионного сигнала, при этом стробируюший вход пикового детектора подключен к первому выходу формирователя тестовой строки, второй выход которого подключен к входу “Сброс” пикового детектора, причем выход блока коммутации является выходом устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков, в т.ч.: светоделителя, второго датчика телевизионного сигнала, пикового детектора, селектора синхроимпульсов, формирователя тестовой строки, компаратора и блока коммутации, а также наличием новых связей между вновь введенными и остальными блоками. Совокупность всех этих признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение соответствует требованию новизны.

В заявляемом решении в формировании выходного сигнала “видео” в диапазоне рабочих освещенностей устройства участвуют поочередно первый и второй датчики телевизионных сигналов.

Так как на верхнем участке диапазона выходной телевизионный сигнал устройства формирует второй датчик в условиях отсутствия предельной световой перегрузки на его фотомишени, то отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения автоматически поддерживается на уровне “не более допустимого” и для максимальных значений освещенности на объекте.

Следовательно, по техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.

На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого устройства; на фиг.2 и 3 представлены возможные оптические схемы светоделителя; на фиг.4 изображено положение тестовой строки на мишени матрицы ПЗС; на фиг.5 - временная диаграмма выходных сигналов формирователя тестовой строки, на фиг.6 представлена зависимость интегрального сигнала “смаза” изображения от времени накопления для телекамер по данным [1, с.14]; на фиг.7 изображена возможная электрическая схема блока коммутации.

Устройство формирования сигнала изображения (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и светоделитель 4, а также последовательно соединенные блок 3 питания, первый датчик 2 телевизионного сигнала, селектор 6 синхроимпульсов и формирователь 7 тестовой строки, а также последовательно соединенные пиковый детектор 8, компаратор 9 и блок 10 коммутации, при этом опорный вход компаратора 9 подключен к пороговому напряжению U_n, первый выход светоделителя 4 оптически связан с фотомишенью первого датчика 2 телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя 4 оптически связан с фотомишенью второго датчика 5 телевизионного сигнала, выход которого подключен к второму информационному входу блока 10 коммутации, первый информационный вход которого подключен к выходу первого датчика 2 телевизионного сигнала и соответственно к входу селектора 6 синхроимпульсов и к информационному входу пикового детектора 8, вход напряжения питания блока 10 коммутации - к выходу блока 3 питания, а выход напряжения питания блока 10 коммутации - к входу питания второго датчика 5 телевизионного сигнала, причем стробирующий вход пикового детектора 8 подключен к первому выходу формирователя 7 тестовой строки, второй выход которого подключен к входу “Сброс” пикового детектора 8, причем выход блока 10 коммутации является выходом устройства.

Светоделитель 4 при взаимно перпендикулярном расположении фотомишеней датчиков 2 и 5 содержит (см. фиг.2) последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 4-1 и нейтральный светофильтр 4-2, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 4-1, первый выход светоделителя - с вторым выходом полупрозрачного зеркала 4-1, второй выход светоделителя - с выходом нейтрального светофильтра 4-2.

Светоделитель 4 при взаимно параллельном расположении фотомишеней датчиков 2 и 5 содержит (см. фиг.3) последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 4-1, нейтральный светофильтр 4-2 и отражающее зеркало 4-3 или (здесь не показанные) последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 4-1, отражающее зеркало 4-3 и нейтральный светофильтр 4-2, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала 4-1, первый выход светоделителя - с вторым выходом полупрозрачного зеркала 4-1, второй выход светоделителя - с выходом отражающего зеркала 4-3 или с выходом нейтрального светофильтра 4-2 (здесь не показано).

В качестве первого датчика 2 телевизионного сигнала может быть использован камерный модуль PCS-504С3 [2, с.21] ЗАО “ЭВС” (г.С.-Петербург), в котором применена матрица ПЗС модели “Exwave Had” фирмы “Sony” с улучшенной в 3-4 раза чувствительностью.

В качестве второго датчика 5 телевизионного сигнала можно рекомендовать использование камерного модуля PCS-504СЗ от ЗАО “ЭВС” (см, [2, с.21]), где применена матрица ПЗС фирмы “Hyundai” с обычной чувствительностью.

Особенностью датчика 2 является нанесение непрозрачной маски на верхнюю или на нижнюю строку фотомишени матрицы ПЗС (см. фиг.4) для выделения “чистого” сигнала “смаза” - помехи от “смазывания” изображения.

В крайнем случае, если при эксплуатации устройства удается избегать сильных локальных засветок верхней или нижней части проекции оптического изображения на фотомишень датчика 2, то от нанесения соответствующей непрозрачной маски можно отказаться.

Селектор 6 синхроимпульсов предназначен для выделения из полного телевизионного сигнала, вырабатываемого на выходе датчика 2, импульсов строчной и кадровой частоты. Техническое решение селектора известно (см., например, [3, с.150-156].

Блок 7 предназначен для формирования логических сигналов, необходимых при выполнении автоматической оценки уровня “смаза” датчика 2 телевизионного сигнала.

На вход формирователя 7 подаются строчные и кадровые синхроимпульсы от селектора 6. Выходные сигналы формирователя 7 представлены на фиг.5, в т.ч.: на фиг.5а - сигнал на первом выходе, а на фиг.5б - сигнал на втором выходе. Временное положение этих сигналов соответствует пространственному положению на мишени матрицы ПЗС датчика 2 маскированной тестовой строки.

Формирование выходных сигналов в блоке 7 предпочтительно выполнить цифровым методом, например на базе программируемого процессора PIC 16C73-201/SP.

Пиковый детектор 8 предназначен для запоминания напряжения, пропорционального максимальному уровню сигнала смаза, который формируется в интервале тестовой строки датчиком 2.

Особенностью пикового детектора 8 является выполнение запоминания только при условии, когда на его стробирующем входе присутствует высокий логический уровень (см. фиг.5а). Перед началом очередного цикла измерений, который осуществляется с периодом полукадра (20000 мкс), выполняется обнуление детектора при помощи импульса, подаваемого на вход “Оброс” (см. фиг.5б).

Компаратор 9 предназначен для сравнения по уровню информационного сигнала с выхода пикового детектора 8 и порогового напряжения U_n со скачкообразным изменением выходного напряжения в случае, когда информационный сигнал больше U_n.

Блок 10 коммутации предназначен для выполнения переключения видеосигналов от датчиков 2 и 5 с одновременным подключением или отключением питающего напряжения датчика 5 с целью экономного энергопотребления предлагаемого устройства.

Возможная электрическая схема блока 10 коммутации приведена на фиг.7.

Коммутация видеосигналов и питающих напряжений осуществляется по логическому сигналу от компаратора 9, подаваемому на управляющий вход блока 10.

Предположим, что на управляющем входе присутствует уровень логического “0”. Тогда транзисторы VT4, VT5 и VT6 будут закрыты, аналоговые коммутаторы DD1-1 и DD1-2 - открыты, а коммутатор DD1-3 - закрыт. В результате напряжение питания +12 В не подается на датчик 5, а на выход “видео” блока 10 транслируется полный телевизионный сигнал от датчика 2.

Рассмотрим другую ситуацию, когда на управляющем входе блока 10 устанавливается логическая “1”.

В этом случае транзисторы VT4, VT5 и VT6 будут открыты, коммутаторы DD1-1и DD1-2 - закрыты, а коммутатор DD1-3 - открыт. Поэтому напряжение питания +12 В будет подано и на датчик 5, а на выход “видео” блока 10 транслируется полный телевизионный сигнал от датчика 5.

Устройство формирования сигнала изображения работает следующим образом.

Выделим в диапазоне рабочих освещенностей устройства два участка:

участок 1 - соответствует низким и средним освещенностям на объекте;

участок 2 - соответствует освещенностям на объекте от выше средних до высоких.

Независимо от освещенности на объекте в настоящий момент входное оптическое изображение через объектив 1 и светоделитель 4 проецируется одновременно на фотомишени датчиков 2 и 5 телевизионного сигнала.

Независимо от входной освещенности селектор 6 выделяет строчные и кадровые синхроимпульсы, формирователь 7 вырабатывает на выходе управляющие сигналы “Строб” и “Оброс” для пикового детектора 8, а сам детектор 8 с периодом полукадров (20000 мкс) регистрирует текущий уровень “смаза” фотоприемника датчика 2 телевизионного сигнала.

Предположим, что освещенность на объекте находится в пределах участка 1 диапазона. Тогда напряжение на выходе пикового детектора 8 обязательно меньше порогового напряжения U_n компаратора 9, а на выходе последнего устанавливается уровень логического “0”.

Нулевой уровень управляющего сигнала в блоке 10 коммутации обеспечивает трансляцию на выход “видео” устройства полного телевизионного сигнала от датчика 2 и отключение питающего напряжения от датчика 5.

Пусть освещенность на объекте увеличивается и переходит на участок 2.

В этом случае выходное напряжение пикового детектора 8 превысит пороговое напряжение U_n компаратора 9, а на выходе последнего установится уровень логической “1”.

Единичный уровень управляющего сигнала в блоке 10 коммутации приведет к подаче напряжения питания на датчик 5 и трансляцию его полного телевизионного сигнала на выход “видео” устройства.

Нейтральный светофильтр 4-2 светоделителя 4 ослабляет освещенность на входе, благодаря чему датчик 5 не испытывает световой перегрузки на фотомишени. Поэтому по сравнению с прототипом в заявляемом устройстве для верхнего участка диапазона отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения поддерживается на уровне не более допустимого и для максимальных предельных значений освещенности на объекте.

Если освещенность на объекте уменьшится и перейдет на участок 1 диапазона, то в камере вновь произойдет автоматическая быстродействующая коммутация по видео от датчиков 2 и 5, а питающее напряжение будет подано только на датчик 2.

Благодаря последнему на участке 1 диапазона поддерживается экономичное энергопотребление устройства, а дополнительное потребление мощности возникает только на участке 2.

Выполним инженерный расчет технического результата предлагаемого решения.

Пусть допустимое значение интегрального сигнала “смаза” изображения составляет 1%, что на порядок меньше, чем для прототипа.

Допустимое отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения в выходном сигнале устройства должно составлять при этом 40 дБ (100 раз).

Обращаясь к фиг.6, имеем сопутствующее время накопления датчика 2·10^-5 с (см. зависимость 2), а время накопителя датчика 5-2·10^-4 с (см. зависимость 1).

При линейном обмене возрастания освещенности на мишени фотоприемника ПЗС на уменьшение его времени накопления и с учетом того, что для прототипа при освещенности объекта Е=100000 лк, имеем интервал накопления Т_н=10^-6 с, получим для Т_н=2·10^-4 с сопутствующее значение освещенности на входе Е=500 лк.

Пусть верхнее значение освещенности участка 2 диапазона составляет 10⁶ лк, что соответствует типовому значению яркости сварочной ванны для случая контроля сварки, а с другой стороны, на порядок выше, чем для прототипа.

Тогда ослабление D входной освещенности, выполняемое полупрозрачным зеркалом 4-1 и нейтральным светофильтром, составит 2000 раз.

Если ослабление D₁ полупрозрачного зеркала 4-1 составляет 2 раза (коэффициент пропускания 0,5), то необходимое ослабление D₂ нейтрального светофильтра 4-2 - 1000 раз.

Необходимо отметить, что приведенный расчет относится к участку 2 диапазона предлагаемого устройства. Когда освещенность на объекте снизится, а устройство автоматически перейдет на участок 1, то значение интегрального сигнала “смаза” изображения будет менее 1%, а отношение сигнал/помеха от “смазывания” изображения в выходном сигнале будет заведомо выше 40 дБ.

Предлагаемое техническое решение по расширению диапазона рабочих освещенностей устройства формирования сигнала изображения экономически выгоднее классического решения - использования в телевизионной камере объектива с автоматической диафрагмой (АРД). Доказательством этого можно считать утверждение в [2, с.65], что стоимость камеры с АРД объективом втрое выше, чем стоимость камеры с объективом с постоянной диафрагмой.

Другим недостатком камер с АРД объективами является низкая механическая прочность и, следовательно, недопустимость их применения в условиях сильных вибраций.

В заявляемом решении этого недостатка удается избежать.

В настоящее время все блоки заявляемого решения освоены отечественной промышленностью, поэтому оно соответствует критерию о промышленной применимости.

Источники информации

1. Куликов А.Н. Телевизионное наблюдение при ярком солнечном свете. “Специальная техника”, №1, 2001, с.11-20.

2. Телевизионные камеры фирмы “ЭВС”, каталог, 2001, 68 с.

3. Быков P.Е. и др. Телевидение. М.: Высшая школа, 1988, 248 с.

Формула изобретения

1. Устройство формирования сигнала изображения, содержащее объектив, последовательно соединенные блок питания и первый датчик телевизионного сигнала, отличающееся тем, что введены светоделитель, второй датчик телевизионного сигнала, последовательно соединенные селектор синхроимпульсов и формирователь тестовой строки, а также последовательно соединенные пиковый детектор, компаратор и блок коммутации, при этом опорный вход компаратора подключен к пороговому напряжению, а выход объектива оптически связан с входом светоделителя, первый выход которого оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя оптически связан с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, выход которого подключен к второму информационному входу блока коммутации, первый информационный вход которого подключен к выходу первого датчика телевизионного сигнала и соответственно к входу селектора синхроимпульсов и к информационному входу пикового детектора, вход напряжения питания блока коммутации - к выходу блока питания, а выход напряжения питания блока коммутации - к входу питания второго датчика телевизионного сигнала, при этом стробирующий вход пикового детектора подключен к первому выходу формирователя тестовой строки, второй выход которого подключен к входу “Сброс” пикового детектора, причем выход блока коммутации является выходом устройства.

2. Устройство формирования сигнала изображения по п.1, отличающееся тем, что светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связаннные полупрозрачное зеркало и нейтральный светофильтр, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с вторым выходом полупрозрачного зеркала, второй выход светоделителя - с выходом нейтрального светофильтра.

3. Устройство формирования сигнала изображения по п.1, отличающееся тем, что светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, нейтральный светофильтр и отражающее зеркало или последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало, отражающее зеркало и нейтральный светофильтр, причем вход светоделителя оптически связан с входом полупрозрачного зеркала, первый выход светоделителя - с вторым выходом полупрозрачного зеркала, второй выход светоделителя - с выходом отражающего зеркала или с выходом нейтрального светофильтра.

РИСУНКИ

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