Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов
Изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости. Техническим результатом является расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения путем оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд - напряжение». Технический результат достигается тем, что в телекамеру введен второй блок задержки на кадр (БЗК), в матрицу ПЗС - разделительный электрод, секция памяти, второй горизонтальный регистр и второй преобразователь заряда в напряжение (БПЗН), а в сигнальный процессор - второй видеоусилитель. 2 з.п. ф-лы, 7 ил., 2 табл.
Изобретение относится к телекамерам, работающим в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения камеры могут находиться одновременно сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать телекамеру [1], состоящую из последовательно соединенных датчика телевизионного сигнала, блока задержки на кадр (БЗК) и формирователя комбинированного изображения (ФКИ), причем датчик содержит фотоприемник, генератор управляющих импульсов и сигнальный процессор, мишень фотоприемника оптически связана с оптическим кадром объектива, а фотоприемником датчика является матрица приборов с зарядовой связью (матрица ПЗС) с организацией «строчный перенос», состоящая из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции, горизонтального регистра и блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), при этом генератор управляющих импульсов содержит последовательно соединенные временной контроллер (ВК) и преобразователь уровней (ПУ), первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам фотоприемной секции и горизонтального регистра матрицы ПЗС, выход БПЗН которой подключен через видеоусилитель сигнального процессора к первому информационному входу ФКИ, содержащего RS-триггер и последовательно соединенные счетчик-делитель и коммутатор, первый и второй компараторы, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению, а также элемент «ИЛИ», элемент «И» и коммутатор-смеситель, причем прямой выход RS-триггера подключен соответственно к управляющему входу коммутатора, первому входу элемента «И» и к соединенным между собой стробирующим входам компараторов; выход второго компаратора подключен к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу первого компаратора; второй вход элемента «И» подключен к выходу счетчика-делителя, а выход элемента «И» - к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, второй управляющий вход которого подключен к выходу элемента «ИЛИ», первый информационный вход коммутатора-смесителя - к информационному входу первого компаратора и является первым информационным входом ФКИ, второй информационный вход коммутатора-смесителя - к информационному входу второго компаратора и является вторым информационным входом ФКИ, а выход коммутатора-смесителя является информационным выходом ФКИ и одновременно выходом «Видео» телекамеры, прямой выход RS-триггера является первым выходом управления ФКИ и подключен к первому управляющему входу датчика телевизионного сигнала, которым является первый управляющий вход ВК; выход коммутатора является вторым выходом управления ФКИ и подключен ко второму управляющему входу ВК; S-вход RS-триггера является первым управляющим входом ФКИ и одновременно входом «Пуск» телекамеры, R-вход RS-триггера является вторым управляющим входом ФКИ и одновременно входом «Стоп» телекамеры, тактовый вход RS-триггера, соединенный с входом счетчика-делителя, является входом синхронизации ФКИ и подключен ко второму выходу ВК, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора, а выход БЗК подключен ко второму информационному входу ФКИ.
При эксплуатации телекамеры прототипа возможны условия сложного освещения и/или сложной яркости наблюдаемых сюжетов и объектов. Примерами условий сложного освещения могут служить:
- наблюдение старта ракеты с ярким факелом от работающих двигателей;
- наблюдение через окно или на фоне открытых дверей, когда нужно одновременно различать объекты на улице и в комнате;
- наблюдение против рассеянного солнечного света;
- наблюдение на фоне бликов, фонарей освещения и прочее.
Характерным примером условий сложной яркости для промышленного телевидения является наблюдение за зоной горячего проката в металлургии, а также контроль процессов дуговой или электронно-лучевой сварки в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
Телекамера прототипа обеспечивает расширение динамического диапазона градаций яркости изображений наблюдаемой сцены путем формирования комбинированного изображения, являющегося результатом синтеза видеосигналов, вырабатываемых матрицей ПЗС при «длинном» и «коротком» по времени зарядовом накоплении.
Недостаток прототипа - ограничение динамического диапазона изображения телекамеры из-за ограниченных возможностей фотоприемника. При выборе площади (S) затвора полевого транзистора, выполняющего сбор фотозарядов в БПЗН, возможно лишь компромиссное решение. При малой площади затвора сокращается внесение в сигнал изображения собственных шумов и достигается необходимая чувствительность телекамеры. Но при этом ограничена управляющая способность зарядового преобразования, которая сказывается для больших по уровню зарядовых пакетов на входе (при высокой освещенности или яркости объектов контроля), вызывая ограничение верхней границы динамического диапазона. При большой площади затвора, наоборот, будет ухудшена чувствительность телекамеры и ограничена нижняя граница динамического диапазона.
Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости формируемого телекамерой изображения путем оптимизации в фотоприемнике преобразования «заряд - напряжение».
Поставленная задача решается тем, что в заявляемую телекамеру, которая содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции, первого горизонтального регистра и первого БПЗН, а также генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных ВК и первого ПУ, первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам фотоприемной секции и первого горизонтального регистра матрицы ПЗС, при этом выход первого БПЗН подключен через первый видеоусилитель сигнального процессора соответственно к входу первого БПЗК и к первому информационному входу ФКИ, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу ВК, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора, первый и второй управляющие входы ВК подключены соответственно к первому и второму выходам управления ФКИ, первый управляющий вход которого является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ - входом «Стоп» телекамеры, а информационный выход ФКИ - выходом «Видео» телекамеры, введен второй БЗК, а в матрицу ПЗС введены последовательно связанные зарядовой связью разделительный электрод, секция памяти, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН, причем управляющие входы секции памяти и второго горизонтального регистра матрицы ПЗС подключены соответственно к первому и второму выходам первого ПУ, в генератор управляющих импульсов введен второй ПУ, вход которого подключен к третьему выходу управления ФКИ, а выход - к управляющему входу разделительного электрода матрицы ПЗС, а в сигнальный процессор введен второй видеусилитель, вход которого подключен к выходу второго БПЗН матрицы ПЗС, а выход соответственно - ко второму информационному входу ФКИ и к входу второго БЗК, третий информационный вход ФКИ подключен к выходу первого БЗК, а выход второго БЗК - к четвертому информационному входу ФКИ, причем площадь затвора S1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора S2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом S1<S2.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая телекамера отличается наличием второго БЗК, наличием новых блоков на кристалле матрицы ПЗС, а именно: разделительного электрода, секции памяти, второго горизонтального регистра и второго БПЗН, а также наличием второго видеусилителя в составе сигнального процессора. Имеет место и наличие новых связей между новыми и остальными блоками заявляемой телекамеры. Кроме этого, в устройстве заявляемой телекамеры заложено конструктивное различие первого и второго БПЗН по площади затвора полевого транзистора, который осуществляет поэлементный сбор носителей зарядового изображения.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемое решение отвечает требованию новизны.
В предлагаемом решении на первом и втором выходах фотоприемника вырабатываются видеосигналы, сформированные при двух различных длительностях накопления матрицы ПЗС. Благодаря оптимизации преобразования «заряд - напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в фотоприемнике по двум выходам и синтезу комбинированного изображения, в выходном видеосигнале телекамеры обеспечивается дополнительное расширение динамического диапазона. Достигаемый технический результат является выгодным преимуществом предлагаемой телекамеры при контроле наблюдаемой сцены, для которой в одном поле зрения имеет место резкое отличие объектов по освещенности и/или яркости. По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемой телекамеры; на фиг.2 приведена функциональная схема технологической организации матрицы ПЗС; на фиг.3 - структурная схема формирователя комбинированного изображения; на фиг.4 показан пример выполнения электрической схемы коммутатора; на фиг.5 - один из возможных вариантов выполнения электрической схемы коммутатора-смесителя; на фиг.6 приведена временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры, а на фиг.7 - временная диаграмма, поясняющая работу счетчика-делителя.
Заявляемая телекамера (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и матрицу 2 ПЗС, состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции 2-1, первого горизонтального регистра 2-2, первого БПЗН 2-3, разделительного электрода 2-4, секции памяти 2-5, второго горизонтального регистра 2-6 и второго БПЗН 2-7; генератор 3 управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных ВК 3-1 и первого ПУ 3-2, а также второго ПУ 3-3; сигнальный процессор 4, содержащий первый видеоусилитель 4-1 и второй видеусилитель 4-2, а также ФКИ 5, первый БЗК 6 и второй БЗК 7, при этом первый выход ПУ 3-2 подключен соответственно к управляющим входам секции 2-1 и секции 2-5, второй выход ПУ 3-2 - соответственно к управляющим входам горизонтального регистра 2-2 и горизонтального регистра 2-6, а выход ПУ 3-3 - к управляющему входу разделительного электрода 2-4, выход БПЗН 2-3 подключен через видеоусилитель 4-1 соответственно к первому информационному входу ФКИ 5 и к входу БЗК 6, а выход БПЗН 2-7 подключен через видеоусилитель 4-2 соответственно ко второму информационному входу ФКИ 5 и к входу БЗК 7, выход БЗК 6 подключен к третьему информационному входу ФКИ 5, а выход БЗК 7 - к четвертому информационному входу ФКИ 5, вход синхронизации которого подключен ко второму выходу ВК 3-1, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора 4, а первый и второй управляющие входы ВК 3-1 - соответственно к первому и второму выходам управления ФКИ 5, третий выход управления которого подключен к входу ПУ 3-3, причем первый управляющий ФКИ 5 является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ 5 - входом «Стоп» телекамеры, а информационный выход ФКИ 5 - выходом «Видео» телекамеры.
Фотоприемная секция 2-1 матрицы ПЗС (см. фиг.2) имеет типовую конструкцию для матриц ПЗС с организацией «строчный перенос». Она обеспечивает накопление зарядовых пакетов в светочувствительных элементах, в качестве которых используются фотодиоды, организованные в столбцы. В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий уровень напряжения, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается высокий уровень напряжения, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах.
Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров секции 2-1 построчно переносятся в горизонтальный регистр 2-2, из которого поэлементно считываются через БПЗН 2-3. Горизонтальный регистр 2-2 и БПЗН 2-3 также являются типовыми представителями матрицы ПЗС со строчным переносом.
В заявляемом решении предлагается дополнительно ввести на общий кристалл матрицы ПЗС разделительный электрод 2-4, секцию памяти 2-5, второй горизонтальный регистр 2-6 и второй БПЗН 2-7. Предлагаемая функциональная схема технологической организации матрицы ПЗС (см. фиг.2) близка к концепции фотоприемника со строчно-кадровым переносом [2, с.137], отличаясь от нее наличием горизонтального регистра 2-2, разделительного электрода 2-4 и БПЗН 2-3.
Разделительный электрод 2-4 разрешает построчный перенос зарядов из вертикальных регистров секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию памяти 2-5 или изолирует секцию 2-5 от такого переноса. Число элементов в каждом столбце секции 2-5 должно быть равно числу элементов вертикального регистра секции 2-1. Под секцией 2-5 расположен горизонтальный регистр 2-6, который организован точно так же, как и регистр 2-2, а заканчивается БПЗН 2-7.
Блок 2-7, как и блок 2-3, предназначен для осуществления преобразования зарядового сигнала изображения в напряжение видеосигнала. Принципиальным их отличием является различный уровень зарядовых пакетов на входе, который учитывается при конструктивном исполнении полевого транзистора в части емкости его затвора. Для БПЗН 2-3 предполагается низкий уровень зарядового сигнала, поэтому емкость затвора должна быть предельно малой, что достигается выбором геометрии его размеров, обеспечивающей малую площадь (S1). Напротив, для БПЗН 2-7 ожидается высокий уровень зарядового сигнала, поэтому необходимо увеличить управляющую способность блока путем увеличения площади затвора (S2). Так что обязательным при конструировании нагрузочных транзисторов является условие: S1<S2.
Генератор 3 управляющих импульсов предназначен для осуществления развертки в матрице 2 ПЗС и формирования служебных импульсов для сигнального процессора 4. Входящий в его состав ВК 3-1 может быть выполнен в виде большой интегральной схемы (БИС), например, микросхемы CXD2463R фирмы Sony [3]. Остальные блоки генератора 3 управляющих импульсов, а именно: ПУ 3-2 и ПУ 3-3, которые предназначены для преобразования уровней логических сигналов ВК 3-1 в уровни сигналов, необходимые для работы матрицы ПЗС, могут быть реализованы в виде второй БИС необходимого комплекта. Отметим, что особенностью ПУ 3-3 является инвертирование входных импульсов.
Как и в прототипе, особенностью ВК 3-1 в заявляемом решении является наличие первого и второго управляющих входов.
Применительно к микросхеме CXD2463RB первым управляющим входом является вывод 20. Если необходимо включить автоматическую регулировку времени накопления (АРВН) в телекамере, нужно подать на этот вывод логический «0», для переключения в режим ручного управления временем накопления - логическую «1» в уровнях ТТЛ.
Второй управляющий вход микросхемы CXD2463R образуют выводы 11, 12, 13. Для работы телекамеры в режиме АРВН эти выводы должны «висеть в воздухе», т.к. на них с помощью высокоомных резистивных делителей поданы соответствующие потенциалы в диапазоне 1,3-3,5 Вольт. Если необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 10 мс, то на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в приведенной ниже табл.1.
| Таблица 1 | ||||||||
| Номер вывода | Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс | |||||||
| 10,0 | 100,0 | 200,0 | 500,0 | 1000,0 | 2000,0 | 4000,0 | 10000,0 | |
| Кодовая комбинация | ||||||||
| 11 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 13 | 0 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 12 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
В настоящем решении используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111» - максимальному времени в 10000 мкс. Предустановка этих кодов предусмотрена в ФКИ 5.
Сигнальный процессор 4 при помощи первого 4-1 и второго 4-2 видеоусилителей выполняет двухканальное усиление и обработку сигналов изображения с выходов матрицы ПЗС и формирование на первом и втором выходах полных телевизионных сигналов (композитных видеосигналов). Сигнальный процессор 4 может быть выполнен в виде одной БИС или двух микросхем CXA1310AQ фирмы Sony [4]. Следует отметить, что применительно к прототипу в видеоусилителе 4-1 (см. фиг.1) вырабатывается управляющий сигнал на ВК 3-1, который необходим для реализации автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника.
Первый БЗК 6 и второй БЗК 7 предназначены для выполнения задержки входного видеосигнала на длительность одного кадра. Если в телекамере использована прогрессивная развертка с частотой кадров 50 Гц, то длительность задержки составляет 20 мс. При организации в телекамере стандартной чересстрочной развертки длительность требуемой задержки будет составлять два полукадра, т.е. 40 мс. Техническая реализация блоков 6 и 7 может быть осуществлена путем последовательного соединения аналого-цифрового преобразователя (АЦП), оперативно-запоминающего устройства (ОЗУ) и цифроаналогового устройства (ЦАП) точно так же, как для блока задержки на кадр у прототипа.
ФКИ 5 (см. фиг.3) содержит RS-триггер 5-1 и последовательно соединенные счетчик-делитель 5-2 и коммутатор 5-3, первый компаратор 5-4, второй 5-5 компараторы, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению Un, а также элемент «ИЛИ» 5-6, элемент «И» 5-7 и коммутатор-смеситель 5-8, причем прямой выход RS-триггера 5-1 подключен соответственно к управляющему входу коммутатора 5-3, первому входу элемента «И» 5-7 и к соединенным между собой стробирующим входам компараторов 5-4 и 5-5, а тактовый вход RS-триггера 5-1 - к входу счетчика-делителя 5-2, выход компаратора 5-5 подключен к первому входу элемента «ИЛИ» 5-6, второй вход которого подключен к выходу компаратора 5-4; второй вход элемента «И» 5-7 подключен к выходу счетчика-делителя 5-2, а выход элемента «И» 5-7 - к первому управляющему входу коммутатора-смесителя 5-8, второй управляющий вход которого подключен к выходу элемента «ИЛИ» 5-6, первый информационный вход коммутатора-смесителя 5-8 - к информационному входу компаратора 5-4, прямой выход RS-триггера 5-1 является первым выходом управления блока 5, выход коммутатора 5-3 - вторым выходом управления блока 5, выход элемента «И» 5-7 - третьим выходом управления блока 5, S-вход RS-триггера 5-1 - первым управляющим входом блока 5, R-вход RS-триггера 5-1 - вторым управляющим входом блока 5, тактовый вход RS-триггера 5-1 - входом синхронизации блока 5, информационный вход компаратора 5-4 - первым информационным входом блока 5, второй информационный вход коммутатора-смесителя 5-8 - вторым информационным входом блока 5, третий информационный вход коммутатора-смесителя 5-8 подключен к информационному входу компаратора 5-5 и является третьим информационным входом блока 5, четвертый информационный вход коммутатора-смесителя 5-8 - четвертым информационным входом блока 5, а выход коммутатора-смесителя 5-8 - информационным выходом блока 5. RS-триггер 5-1 является тактируемым триггерным устройством RS-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Счетчик-делитель 5-2 предназначен для выполнения деления частоты кадровых синхроимпульсов на два (с 50 Гц до 25 Гц) при прогрессивной развертке и соответственно на четыре (с 50 Гц до 12,5 Гц) при чересстрочной развертке видеосигнала в телекамере.
Коммутатор 5-3 предназначен для установки внешнего кода управления в ВК 3-1 генератора 3 управляющих импульсов. Установка этого кода осуществляется в блоке 5 по второму выходу управления.
Пример электрической схемы этого блока (см. фиг.4) содержит первый элемент «И» 5-3-1, второй элемент «И» 5-3-2, третий элемент «И» 5-3-3, а также первый коммутатор 5-3-4, второй коммутатор 5-3-5 и третий коммутатор 5-3-6, при этом первые входы элементов «И» соединены между собой и подключены к выходу счетчика-делителя 5-2, вторые входы элементов «И» - к прямому выходу RS-триггера 5-1, а выходы элементов «И» - соответственно к управляющим входам первого 5-3-4, второго 5-3-5 и третьего 5-3-6 коммутаторов, входы разрешения коммутаторов соединены между собой и подключены к прямому выходу RS-триггера 5-1, а выходы коммутаторов являются выходом блока 5-3. При подаче высокого логического уровня сигнала на входы разрешения коммутаторов 5-3-4, 5-3-5, 5-3-6 и высокого логического уровня сигнала на первые входы элементов «И» 5-3-1, 5-3-2, 5-3-3 на выходе блока 5-3 формируется логическая комбинация «111».
Когда на первые входы элементов «И» 5-3-1, 5-3-2, 5-3-3 будет подан логический «0», на выходе блока 5-3 установится логическая комбинация «000».
Если на входы разрешения коммутаторов 5-3-4, 5-3-5, 5-3-6 будет подан низкий логический уровень, тогда, независимо от состояния на входах элементов «И» 5-3-1, 5-3-2, 5-3-3, выходы коммутаторов будут изолированы от входов.
Особенностями компараторов 5-4 и 5-5 является применение в каждом из них стробирующего входа. В качестве элементной базы для выполнения необходимых компараторов могут быть использованы микросхемы КМ597СА1 [5, с.366]. При подаче на стробирующий вход компаратора логической «1» происходит сравнение исследуемого сигнала с опорным напряжением. Если на стробирующем входе компараторов устанавливается логический «0», тогда происходит исключение процесса сравнения, а на выходе компаратора формируется нулевой уровень.
Элементы «ИЛИ» 5-6 и «И» 5-7 являются логическими компонентами с однозначным представлением о выполняемых ими функциях.
Коммутатор-смеситель 5-8 предназначен для синтеза выходного видеосигнала телекамеры. Электрическая схема блока 5-8 может быть выполнена на базе одного из двух четырехканальных аналоговых коммутаторов микросхемы КР590КН3 [5, с.450-451], как предложено на фиг.5. В зависимости от уровней логических сигналов, подаваемых на первый и второй управляющие входы, в соответствии с табл.2, истинности открывается один из каналов, а именно: 1А или 2А, или 3А, или 4А.
| Таблица 2 | |||
| Уровни на управляющих входах | Номер открытого канала | ||
| #2 | #1 | Е | |
| 0 | 0 | 1 | 1А |
| 1 | 0 | 1 | 2А |
| 0 | 1 | 1 | 3А |
| 1 | 1 | 1 | 4А |
Телекамера (см. фиг.1) работает следующим образом.
В поле зрения телекамеры могут одновременно находиться сильно и слабо освещенные объекты и/или объекты с резким отличием по яркости.
При включении напряжения питания телекамеры на прямом выходе RS-триггера 5-1, а следовательно, и на первом и третьем выходах управления ФКИ 5 устанавливается уровень логического «0». Это обеспечивает низкий логический уровень на входе ПУ 3-3, а также на первом управляющем входе ВК 3-1. В результате на выходе ПУ 3-3 формируется низкий уровень напряжения, гарантирующий «изоляцию» секции 2-1 и регистра 2-2 фотоприемника от секции 2-5. Матрица 2 ПЗС, как и у прототипа, становится типовым фотоприемником с организацией «строчный перенос». Уровень логического «0» на первом выходе управления ФКИ 5, а следовательно, и уровня «0» на первом управляющем входе ВК 3-1, гарантирует включение схемы автоматической регулировки времени накопления (АРВН) фотоприемника.
Предположим, что телекамера работает в режиме разложения прогрессивной развертки. Тогда на втором выходе ВК 3-1 формируются кадровые синхроимпульсы с периодом Тп (см. фиг.6а), а входящий в состав ФКИ 5 счетчик-делитель 5-2 выполняет деление входной частоты на два, формируя на выходе меандр с периодом Тд1=2Тп (см. фиг.6б).
Схема АРВН установит по сильно освещенному или яркому сюжету величину текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле темных и низко освещенных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности и искажениям соответствующих фрагментов изображения из-за ограничения динамического диапазона телекамеры снизу.
Пусть на вход «Пуск» телекамеры подается импульс положительной полярности. В момент совпадения на «S»-входе RS-триггера 5-1 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («CLC») входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 5-1 устанавливается сигнал логической «1». Последний подается на управляющий вход блока 5-3, на стробирующие входы компараторов 5-4, 5-5 и на первый управляющий вход ВК 3-1. Поэтому схема АРВН отключается, а второй управляющий вход ВК 3-1 оказывается подключенным к выходу блока 5-3. Одновременно компараторы 5-4 и 5-5 оказываются подготовленными к работе. Необходимо отметить, что независимо от коммутации на входе «Пуск» на выходе счетчика-делителя 5-2 продолжают формироваться импульсы с периодом Тд.
При подключении второго управляющего входа ВК 3-1 к выходу блока 5-3 на этом входе на время действия высокого уровня меандра импульсов с выхода блока 5-2 устанавливается логическая комбинация «111», обеспечивающая длительность кадрового накопления зарядов в фотоприемнике, равной 10000 мкс (см. табл.1).
Высокий уровень меандра с выхода блока 5-2 означает и такой же уровень на третьем выходе управления ФКИ 5, но низкий уровень на разделительном электроде 2-4 из-за инверсии в ПУ 3-3. Поэтому секция 2-1 на это время будет изолирована от секции 2-5, а считывание накопленных зарядовых пакетов осуществляется построчно в регистр 2-2, а из него - поэлементно в БПЗН 2-3. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый с первого выхода матрицы 2 ПЗС, «длинным» сигналом из-за прямой зависимости его уровня от длительного (10000 мкс) накопления зарядового кадра.
Когда же с выхода блока 5-2 будет подан низкий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе ВК 3-1 установится логическая комбинация «000», гарантирующая время накопления матрицы ПЗС 10 мкс (см. табл.1). Отметим, что во время действия низкого уровня меандра на разделительном электроде 2-4 установится высокий уровень. Поэтому он разрешает для зарядовых пакетов накопленного кадра построчный их перенос из секции 2-1 сквозь регистр 2-2 в секцию 2-5 и хранение зарядов в ней до момента наступления очередного промежутка Тп «изоляции».
В последующем интервале Тп выполняется построчный перенос каждой строки этого зарядового кадра в регистр 2-6 и считывание каждого элемента строки в БПЗН 2-7. Обозначим условно этот видеосигнал, снимаемый со второго выхода матрицы 2 ПЗС, «коротким» сигналом из-за прямой зависимости его уровня от кратковременного (10 мкс) накопления зарядового кадра.
Отметим, что «длинный» сигнал на первом выходе матрицы 2 ПЗС (см. фиг.6в) и «короткий» сигнал на ее втором выходе (см. фиг.6з) следуют с периодом 2Тп, а в течение паузы (интервала Тп) регистры 2-3 и 2-6 матрицы ПЗС параллельно осуществляют считывание темнового сигнала и удаляют паразитную информацию из фотоприемника.
Видеосигнал с первого выхода матрицы 2 ПЗС поступает на вход видеоусилителя 4-1 сигнального процессора 4, а с его выхода - на первый информационный вход ФКИ 5 и на вход БЗК 6. Одновременно видеосигнал со второго выхода матрицы 2 ПЗС подается на вход видеоусилителя 4-2, а с выхода - на второй информационный вход ФКИ 5 и на вход БЗК 7 соответственно.
Задержанный на кадр видеосигнал (см. фиг.6д) с выхода БЗК 6 поступает на третий информационный вход ФКИ 5, а задержанный на кадр видеосигнал (см. фиг.6и) с выхода БЗК 7 - на четвертый информационный вход ФКИ 5.
Компаратор 5-4 (см. фиг.3) сравнивает «длинный» сигнал с пороговым напряжением Uопорное, формируя на выходе импульсы, показанные на фиг.6г, а компаратор 5-5 выполняет сравнение с этим опорным уровнем задержанного «длинного» сигнала, вырабатывая на выходе импульсы, представленные на фиг.6е. Длительность этих импульсов определяет время превышения в видеосигнале порогового напряжения.
Выходные импульсы компараторов 5-4 и 5-5 логически суммируются на элементе «ИЛИ» 5-6, обеспечивая формирование необходимого сигнала на втором управляющем входе коммутатора-смесителя 5-8 (см. фиг.6ж). На первом управляющем входе блока 5-8 присутствуют импульсы с выхода счетчика-делителя 5-2, показанные на фиг.6б, которые являются результатом логического умножения на элементе «И» 5-7 этого сигнала и логической «1» с прямого выхода RS-триггера 5-1.
Синтез выходного сигнала изображения осуществляется в коммутаторе-смесителе 5-8 при помощи четырехканальной коммутации составляющих видеосигналов (см. фиг.5 и табл.2).
Когда на первом и втором управляющих входах блока 5-8 присутствуют логические «0», то на это время открывается канал 1А, а на выход транслируется видеосигнал с первого информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логического «0» на втором управляющем входе устанавливается логическая «1», тогда на это время открывается канал 2А, а на выход транслируется видеосигнал со второго информационного входа.
Когда на первом управляющем входе устанавливается логическая «1», а на втором управляющем входе присутствует логический «0», то на это время открывается канал 3А, а на выход транслируется видеосигнал с третьего информационного входа. Если в течение действия на первом управляющем входе логической «1» на втором управляющем входе присутствует тоже логическая «1», то на это время открывается канал 4А, а на выход транслируется видеосигнал с четвертого информационного входа.
Синтезированный видеосигнал (см. фиг.6к) обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. по сравнению с прототипом в нем оптимизировано преобразование «заряд - напряжение» для светлых и темных фрагментов сцены в матрице ПЗС с новой организацией.
Предположим, что телекамера работает в режиме чересстрочной развертки. Тогда на входе синхронизации ФКИ 5 присутствуют импульсы с периодом полукадров Тп. Счетчик-делитель 5-2 выполняет деление входной частоты на четыре, т.е. период выходных импульсов будет составлять: Тд2=4Тп (см. фиг.7в). В течение действия высокого уровня этого меандра в матрице 2 ПЗС будет выполняться не один, а два цикла экспонирования с «длинным» зарядовым накоплением по 100000 мкс для каждого. Аналогично, в течение действия низкого уровня нового меандра в фотоприемнике будет совершаться не один, а два цикла экспонирования с «коротким» зарядовым накоплением по 10 мкс. БЗК 6 и БЗК 7 осуществляют задержку входного видеосигнала на два полукадра, т.е. по длительности на два Тп.
В остальном работа телекамеры не отличается от ее функционирования в режиме прогрессивной развертки.
При необходимости возвращения телекамеры в режим работы прототипа следует подать импульс положительной полярности на вход «Стоп». В момент совпадения на «R»-входе RS-триггера 3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем тактовых импульсов (КСИ) состояние триггера изменяется. На прямом выходе RS-триггера 5-1 установится сигнал логического «0», а в матрице 2 ПЗС будет восстановлено функционирование схемы АРВН. Одновременно будет приостановлено функционирование компараторов 5-4 и 5-5, благодаря подаче сигнала логического «0» на их стробирующие входы. На первом и втором управляющих входах коммутатора-смесителя 5-8 установится логическая комбинация «00», благодаря которой на выход блока, а следовательно, и на выход телекамеры, будет передаваться с первого информационного входа типовой телевизионный сигнал фотоприемника 2.
В настоящее время все блоки предлагаемого решения освоены или могут быть освоены отечественной промышленностью, поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2362275 РФ. МПК H04N 5/225. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов / В.М.Смелков // БИ - 2009. - №20.
2. Владо Дамьяновски. CCTV. Библия видеонаблюдения. Цифровые и сетевые технологии / Перевод с англ. - М.: ООО «Ай-Эс-Эс Пресс», 2006.
3. Микросхема CXD2463R фирмы Sony. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.
4. Микросхема CXA1310AQ фирмы Sony. Single Chip Processing for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-14.
5. Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С.В.Якубовский, Л.И.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др. - М.: «Радио и связь», 1990.
1. Телевизионная камера для наблюдения в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов, содержащая последовательно расположенные и оптически связанные объектив и матрицу приборов с зарядовой связью (матрицу ПЗС) с организацией «строчный перенос», состоящую из последовательно связанных зарядовой связью фотоприемной секции, первого горизонтального регистра и первого блока преобразования заряда в напряжение (БПЗН), а также генератор управляющих импульсов, состоящий из последовательно соединенных временного контроллера (ВК) и первого преобразователя уровней (ПУ), первый и второй выходы которого подключены соответственно к управляющим входам фотоприемной секции и первого горизонтального регистра матрицы ПЗС, при этом выход первого БПЗН которой подключен через первый видеоусилитель сигнального процессора соответственно к входу первого блока задержки на кадр (БЗК) и к первому информационному входу формирователя комбинированного изображения (ФКИ), вход синхронизации которого подключен ко второму выходу ВК, третий выход которого подключен к управляющему входу сигнального процессора, а первый и второй управляющие входы ВК - соответственно к первому и второму выходам управления ФКИ, первый управляющий вход которого является входом «Пуск» телекамеры, второй управляющий вход ФКИ - входом «Стоп» телекамеры, а информационный выход ФКИ - выходом «Видео» телекамеры, отличающаяся тем, что в нее введен второй БЗК, а в матрицу ПЗС введены последовательно связанные зарядовой связью разделительный электрод, секция памяти, второй горизонтальный регистр и второй БПЗН, причем управляющие входы секции памяти и второго горизонтального регистра матрицы ПЗС подключены соответственно к первому и ко второму выходам первого ПУ, в генератор управляющих импульсов введен второй ПУ, вход которого подключен к третьему выходу управления ФКИ, а выход - к управляющему входу разделительного электрода матрицы ПЗС, а в сигнальный процессор введен второй видеусилитель, вход которого подключен к выходу второго БПЗН матрицы ПЗС, а выход соответственно - ко второму информационному входу ФКИ и к входу второго БЗК, третий информационный вход ФКИ подключен к выходу первого БЗК, а выход второго БЗК - к четвертому информационному входу ФКИ, причем площадь затвора S1 полевого транзистора, выполняющего сбор зарядовых носителей в первом БПЗН, выполнена по критерию минимального внесения в сигнал изображения собственных шумов, а площадь затвора S2 аналогичного полевого транзистора во втором БПЗН - по критерию максимальной управляющей способности зарядового преобразования, при этом S1<S2.
2. Телевизионная камера по п.1, отличающаяся тем, что формирователь комбинированного изображения содержит RS-триггер и последовательно соединенные счетчик-делитель и коммутатор, первый и второй компараторы, опорные входы которых подключены к пороговому напряжению, а также элемент «ИЛИ», элемент «И» и коммутатор-смеситель, причем прямой выход RS-триггера подключен соответственно к управляющему входу коммутатора, первому входу элемента «И» и к соединенным между собой стробирующим входам компараторов, а тактовый вход RS-триггера - к входу счетчика-делителя, выход второго компаратора подключен к первому входу элемента «ИЛИ», второй вход которого подключен к выходу первого компаратора; второй вход элемента «И» подключен к выходу счетчика-делителя, а выход элемента «И» - к первому управляющему входу коммутатора-смесителя, второй управляющий вход которого подключен к выходу элемента «ИЛИ», первый информационный вход коммутатора-смесителя - к информационному входу первого компаратора, прямой выход RS-триггера является первым выходом управления ФКИ, выход коммутатора - вторым выходом управления ФКИ, выход элемента «И» - третьим выходом управления ФКИ, S-вход RS-триггера - первым управляющим входом ФКИ, R-вход RS-триггера - вторым управляющим входом ФКИ, тактовый вход RS-триггера - входом синхронизации ФКИ, информационный вход первого компаратора - первым информационным входом ФКИ, второй информационный вход коммутатора-смесителя - вторым информационным входом ФКИ, третий информационный вход коммутатора-смесителя подключен к информационному входу второго компаратора и является третьим информационным входом ФКИ, четвертый информационный вход коммутатора-смесителя - четвертым информационным входом ФКИ, а выход коммутатора-смесителя - информационным выходом ФКИ.
3. Телевизионная камера по любому из пп.1 и 2, отличающаяся тем, что в режиме прогрессивной развертки сигнала изображения первый и второй БЗК являются блоками задержки на кадр, а в режиме чересстрочной развертки - блоками задержки на два полукадра, при этом счетчик-делитель ФКИ в режиме прогрессивной развертки является делителем входной частоты на два, а в режиме чересстрочной развертки - делителем на четыре.
