Способ оцифровывания изображения и устройство его осуществления

Изобретение относится к средствам оцифровки кадра изображения. Техническим результатом является повышение скорости оцифровки. В способе преобразование интенсивности облучения элементов матрицы в двоичные коды осуществляется параллельно и синхронно всеми элементами матрицы одновременно, представляемыми триадами преобразователей "яркость излучения - код" трех основных цветов R, G, В, выполняющих преобразование яркости облучения в двоичные коды со скоростью распространения света, и оцифровывание изображения кадра заканчивается с окончанием длительности кадра. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к технологии оцифровывания изображения кадра и может быть использовано для получения цифровых изображений кадров в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах.

Прототипом способа является матричный способ формирования оцифровываемых изображений [1, с.816], применяемый в устройствах оцифровывания изображений, реализуемых в светочувствительных приемниках изображений двух типов: приборов с зарядовой связью /ПЗС/ и в приборах с зарядовой инжекцией /ПЗИ/ [1, с.830-832]. Способ получения оцифрованного изображения состоит в последовательно выполняемых операциях: накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения [1, с.831-832], считывание зарядов пикселов ядра последовательно по строкам с матричного приемника изображения, оцифровывание изображения кадра последовательно по зарядам пикселов аналого-цифровым преобразователем /АЦП/ в двоичные коды и окончательное оформление цифрового кадра в цифровом процессоре кадра.

Недостатки способа-прототипа:

- зависимость величины заряда пиксела от длительности кадра и размера самого пиксела, увеличение частоты кадров снижает величины зарядов фотодатчиков, следовательно, и глубину цвета, ограничиваемую 24 битами /по восемь бит каждого цвета R, G, B/.

- процесс оцифровывания кадра идет последовательно: считывание последовательно зарядов пикселов, последовательное их аналого-цифровое преобразование, формирование цифрового кадра в цифровом процессоре кадра.

Прототипом устройства принят матричный приемник изображения, включающий объектив и матричный фоточувствительный прибор с зарядовой инжекцией /ПЗИ/ [1, с.832], каждый элемент матрицы которого из двух МОП-емкостей, из которых одна присоединена к горизонтальной шине, вторая - к вертикальной шине. Накопленные пикселами заряды считываются построчно и с выхода матрицы поступают в устройство аналого-цифрового преобразования /АЦП/, последовательно преобразующее аналоговые сигналы пикселов в коды. Матрица ПЗИ включает для считывания схему генерации вертикальных считывающих импульсов и схему генерации горизонтальных считывающих импульсов. Каждый элемент матрицы преобразует интенсивность поступающего в него света в напряжение, пропорциональное интенсивности света, с выхода матрицы сигналы последовательно поступают в АЦП, преобразующий их в коды, поступающие в процессор цифрового кадра, который формирует окончательное оцифровывание кадра. Процесс оцифровывания идет по цепочке: элемент матрицы - АЦП - процессор цифрового кадра. Недостатками прототипа являются те же, что перечислены выше, к ним добавляется нарушение цветового баланса относительно света, освещающего объект съемки, из-за расположения фотодатчика на трех уровнях глубины кремния в ПЗИ, снижающего величины зарядов на разных глубинах.

Цель изобретения - оцифровывание кадра параллельным и синхронным преобразованием в коды непосредственно световых излучений от объекта съемки, поступающие на все элементы матрицы, сведение процесса оцифровывания изображения в одно преобразование “облучение матрицы - оцифрованный кадр”.

Техническими результатами являются: оцифровывание изображения кадра со скоростью распространения света, сокращение цепочки оцифровывания до одного преобразования во всех элементах матрицы “яркость излучения - код” и увеличение глубины цвета свыше 24 бит.

Заявляемый способ оцифровывания изображения состоит в выполнении процесса “облучение матрицы - оцифрованный кадр” параллельным и синхронным получением кодов всех элементов матрицы преобразователями “яркость излучения - код”, объединенными в триады по числу основных цветов R, G, B. Оцифрованное изображение кадра не требует доработок в цифровом процессоре, входные условия для всех элементов матрицы идентичные, что обеспечивает полный цветовой баланс цветов изображения кадра относительно света, облучающего объект съемки.

Сущность заявляемого способа состоит в получении оцифрованного изображения кадра на выходах самой матрицы приемника изображения.

Сущность заявляемого устройства оцифровывания изображения, содержащего объектив и матрицу приемника изображения, в том, что каждый элемент матрицы включает по числу основных цветов /R, G, B/ три преобразователя “яркость излучения - код” и в устройство введены первый-третий блоки ключей, ключей в которых по числу разрешения кадра, и первый-третий блоки регистров, регистров в которых также по числу разрешения кадра.

Устройство 1 оцифровывания кадра на фиг.1 содержит объектив 2, приемник 3 изображения, являющийся датчиком сигналов трех цветов R, G, B, приемная сторона которого расположена в фокальной плоскости объектива 2, и содержит матрицу элементов числом 10⁶ соответственно разрешения кадра 1000 строк × 1000 отчетов в строке, три группы /по числу цветов/ выходов с первого по 10×10⁶ которых подключены к входам с первого по 10⁷ соответственно блоков 4, 5, 6 ключей, выходы 1-10⁷ с которых подключены к входам 1-10⁷ соответственно блоков 7, 8, 9 регистров, и генератор 10 управляющих сигналов, выдающий с первого выхода импульсы частоты кадров U_к, подключенный параллельно к сигнальным входам ключей в блоках 4-6 ключей, со второго выхода выдающий импульсы частоты дискретизации U_д кодов, подключенный ко вторым управляющим входам блоков 7/-9 регистров, с третьего выхода выдающий импульсы частоты кадров с периодом длительности кадра на первые управляющие входы U_от ключей 19 в блоках 7, 8, 9 регистров /фиг.5/, выходы которых являются выходами устройства 1 оцифровывания кадра. Матрица приемника 3 изображения состоит из 10⁶ элементов /1000×1000/. Изображение проецируется объективом 2 на приемную поверхность приемника 3 изображения. Каждый элемент матрицы представлен /фиг.3/ триадой из трех преобразователей “яркость излучения - код” /фиг.4/: левый нижний преобразователь принимает красное R излучение /фиг.3/, верхний преобразователь принимает зеленое G излучение, правый нижний принимает излучение синего В цвета. Преобразователи “яркость излучения - код” выполнены идентично /фиг.4/, каждый включает непрозрачный корпус 11 формой прямоугольного параллелепипеда из изоляционного материала, во входном /переднем/ торце корпуса расположен цветной светофильтр 12 одного из основных цветов R, G, B, за цветным светофильтром в непрозрачной перегородке 13 закреплен микрообъектив 14, по оптической оси которого под углом 45° к ней последовательно и на соответствующем расстоянии друг от друга размещены и жестко закреплены по числу разрядов в коде с первого по десятый полупрозрачные микрозеркала 15. На стороне корпуса 11, к которой повернуты микрозеркала 15_1-10, расположены десять соответствующих фотоприемников 16_1-10, принимающие отраженное полупрозрачными микрозеркалами 15 излучение и выдающие электрические сигналы на управляющие входы U_от ключей 17 в блоках 4-6 ключей. Световой поток после цветного светофильтра 12 поступает в микрообъектив, направляющий облучение по своей оси на центры полупрозрачных зеркал 15_1-10. Принцип преобразователя “яркость излучения - код” в том, что каждое впереди расположенное микрозеркало 15 пропускает на следующее за ним поток света, ослабленный в два раза, что соответствует принципу двоичного кода. В полупрозрачных микрозеркалах 15 имеются светоделительные покрытия, выполняющие отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5 [2, с.223]. Техническим результатом преобразователя является получение кода входного потока освещения /непрерывного или импульсного/ со скоростью распространения света. Двоичные коды представляются с преобразователей последовательностью сигналов единиц в разрядах кодов, соответствующих микрозеркалам, через которые поток света прошел, в разрядах через микрозеркала которых свет не прошел, будут нули, например код 0001111111: излучение прошло через микрозеркала 15_1-7, и свет не прошел через микрозеркала 15_8-10, старшему разряду кода соответствует полупрозрачное зеркало 15₁₀, младшему разряду соответствует микрозеркало 15₁, старшему разряду кода соответствует фотоприемник 16₁, и младшему разряду кода - фотоприемник 16₁₀. Для получения в разрядах кодов импульсов с заранее заданными параметрами сигналы с фотоприемников 16 подменяются импульсами с нужными параметрами по амплитуде и длительности применением ключей числом 10⁷ соответственно разрешения кадра и числа разрядов в коде. Каждый преобразователь “яркость излучения - код” обслуживается десятью ключами 17_1-10 /фиг.4/. Ключей в блоках 4-6 по 10⁷. Сигнал с фотоприемника открывает свой ключ, через который с сигнального входа проходит импульс с нужными параметрами по амплитуде и длительности с первого выхода блока 10. За кадр через ключ проходит один импульс. Частота кадров задается генератором 10 управляющих сигналов. При выполнении генератора 10 нужно предусмотреть выдачу разных частот кадров от 25 Гц до 10 кГц, а длительность импульса при разных частотах должна быть одна, которая бы удовлетворяла все частоты, т.е. 100 мкс. Форматы кадра в приемнике 3 изображения могут быть различны по размерам, от формата кадра зависят размеры элементов матрицы: при формате кадра 36×36 мм и разрешении 1000×1000 размеры одного элемента матрицы /триады преобразователей/ составят 36×36 мкм //, поперечные размеры корпуса преобразователя должны быть 18×18 мкм /фиг.3/. Изготовление триад и преобразователей таких размеров возможно с привлечением к этому нанотехнологии. Расположение триад в строках приемника 3 изображения приведено на фиг.2. Коды в параллельном виде синхронно с выходов ключей блоков 4-5 поступают в блоки 7-9 регистров /фиг.1/. Блоки регистров выполнены идентично /фиг.5/, каждый содержит десятиразрядные регистры 18 по числу разрешения матрицы 10⁶ и последовательно соединенные ключ 19 и распределитель 20 импульсов. Информационными входами блока регистров являются первый - десятый входы всех регистров 18, всего входов 10⁷, выходами являются поразрядно объединенные первый - десятый выходы всех регистров 18. Первым управляющим входом является первый управляющий U_от вход ключа 19, подключенный к третьему выходу блока 10, вторым управляющим входом является сигнальный вход ключа 19, подключенный к второму выходу U_д блока 10. Ключ 19 открывается передним фронтом импульса частоты кадров на длительность кадра, закрывается задним фронтом импульса частоты кадров. При открытом ключе 19 на вход распределителя 20 импульсов поступают импульсы U_д дискретизации кодов, сигналы с выходов распределителя 20 импульсов являются первыми - 10⁶ сигналами U_выд кодов последовательно из регистров на воспроизведение изображения или на регистрацию в соответствующее устройство памяти.

Работа устройства оцифровывания кадра

Объектив 2 проецирует изображение объекта съемки на входы элементов матрицы приемника 3 изображения. Преобразователи “яркость излучения - код” выдают синхронно и параллельно десятиразрядные коды в блоки 4-6 ключей. Сигналы кодов открывают ключи в блоках 4-6, через открытые ключи с первого выхода блока 10 проходят импульсы частоты кадров длительностью 100 мкс и становятся импульсами в разрядках кодов. С выходов ключей блоков 4-6 коды кадра поступают синхронно в блоки 7-9 регистров. В результате за 100 мкс осуществлено оцифровывание изображения кадра. С блоков 7-9 регистров коды видеосигналов R, G, B в параллельном виде последовательно выдаются сигналами дискретизации U_д на выход устройства оцифровывания кадра. Частота сигналов дискретизации составляет:

f_д=10⁶×f_к=10⁶·f_к МГц,

где f_к - частота кадров.

Заявляемый способ представляет новую технологию оцифровывания изображения кадра в цифровых видеокамерах и фотоаппаратах, выполняя параллельное и синхронное преобразование интенсивности облучения элементов матрицы, представленные триадами преобразователей “яркость излучения - код” трех базовых цветов R, G, B, в двоичные коды, сосредотачиваемые за первый период кадра в блоках 7-9 регистров, и начиная со второго кадра десятиразрядные коды поступают на воспроизведение изображения оцифрованного кадра или в устройство памяти. Процесс оцифровывания кадра определяется длительностью одного импульса разряда кода, в описанном варианте 100 мкс.

Источники информации

1. Колесниченко О.В., Шишигин И.В. Аппаратные средства РС. 5-е изд-е, СПб, 2004, с.830-832.

2. Б.Н.Бегунов, Н.П.Заказнов. Теория оптических систем. М, 1973, с.223.

1. Способ оцифровывания изображения кадра, использующий матричный способ оцифровывания изображений преобразованием интенсивности облучения элементов матрицы в двоичные коды, отличающийся тем, что преобразование интенсивности облучения элементов матрицы в двоичные коды осуществляется параллельно и синхронно всеми элементами матрицы одновременно, представляемые триадами преобразователей "яркость излучения - код" трех основных цветов R, G, В, выполняющих преобразование яркости облучения в двоичные коды со скоростью распространения света, и оцифровывание изображения кадра заканчивается с окончанием длительности кадра.

2. Устройство оцифровывания изображения кадра, включающее объектив и приемник изображения, содержащий матрицу элементов по числу разрешения кадра, отличающееся тем, что в него вводится по числу трех цветов R, G, В первый-третий блоки ключей, первый-третий блоки регистров и генератор управляющих сигналов, с первого выхода выдающий импульсы частоты кадров, со второго выхода - импульсы дискретизации кодов, с третьего выхода - импульсы длительностью периода кадра, каждый элемент матрицы представляет триаду из трех преобразователей "яркость излучения - код", в которой левый нижний преобразователь принимает излучение красного R цвета, верхний принимает излучение зеленого G цвета, правый нижний принимает излучение синего В цвета, преобразователи "яркость излучения - код" выполнены идентично, каждый включает непрозрачный корпус формой прямоугольного параллелепипеда из изоляционного материала, во входном торце которого расположен цветной светофильтр одного из базовых цветов R, G, В, за цветным светофильтром в непрозрачной перегородке закреплен микрообъектив, по оптической оси которого и под углом 45° к ней последовательно друг за другом на соответствующем расстоянии расположены и жестко закреплены по числу разрядов в коде десять полупрозрачных микрозеркал, каждое впереди расположенное полупрозрачное микрозеркало пропускает на следующее за ним поток света, ослабленный в два раза, в полупрозрачных микрозеркалах имеются светоделительные покрытия, выполняющие отношение отраженного излучения к пропущенному как 1:0,5, на стороне корпуса, к которой повернуты полупрозрачные микрозеркала, расположены с первого по десятый соответствующие фотоприемники, принимающие отраженные микрозеркалами излучения, выходы фотоприемников являются информационными выходами каждого преобразователя и подключены к управляющим U_от входам соответствующих ключей соответственно в первом-третьем блоках ключей, которые выполнены идентично, каждый включает ключей 10⁷ по числу разрешения кадра и по числу разрядов в коде, информационными входами блока ключей являются первые управляющие входы U_от ключей, подключенные к выходам соответствующих фотоприемников соответствующих преобразователей "яркость излучения - код", сигнальные входы ключей в блоке объединены и подключены к первому выходу генератора управляющих сигналов, выходами блока ключей являются выходы всех /10⁷/ ключей блока, подключенные к соответствующим 10⁷ входам своего блока регистров, управляющие входы трех блоков ключей объединены и подключены к первому выходу генератора управляющих сигналов, первые управляющие входы трех блоков регистров объединены и подключены к третьему выходу генератора управляющих сигналов, второй выход которого подключен к объединенным вторым управляющим входам блоков регистров, выходы которых являются первым, вторым и третьим выходами устройства оцифровывания изображения кадра, блоки регистров выполнены идентично, каждый включает десятиразрядные регистры по числу разрешения матрицы /10⁶/ и последовательно соединенные ключ и распределитель импульсов, выходы которого с первого по 10⁶ последовательно подключены к управляющим входам U_выд каждого десятиразрядного регистра, информационными входами каждого блока регистров являются первый-десятый входы всех регистров, подключенные к соответствующим выходам своего блока ключей, управляющими входами являются: первым - первый управляющий U_от вход ключа, подключенный к третьему управляющему выходу генератора управляющих сигналов, вторым - сигнальный вход ключа, подключенный к второму выходу генератора управляющих сигналов, первый-десятый выходы всех регистров в каждом блоке регистров поразрядно объединены и являются первым-десятым выходами блока регистров, выходы первого-третьего блоков регистров являются соответственно первым-третьим выходами устройства оцифровывания изображения кадра.