CC BY
34
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
ОБ УСТРОЙСТВЕ ТЕЛЕКАМЕРЫ НА ПЗС ДЛЯ МОНИТОРИНГА ЗА ПОСТУПАТЕЛЬНО И СИНХРОННО ДВИЖУЩИМСЯ ОБЪЕКТОМ ВЫСОКОЙ ЯРКОСТИ И ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕГО ОБСТАНОВКОЙ
В составе телевизионно-компьютерной системы, предложена структурная, схема телекамеры, в которой обеспечивается, предупреждение искажений видеосигнала типа «расплывание» при. телевизионном мониторинге сюжета со сложной яркостью. Телекамера, в которой применен один типовой фотоприемник на матричном ПЗС, предназначена для. мониторинга за выполнением технологической задачи перемещения горячего проката. На выходе «Видео» телекамеры, обеспечено формирование мультиплексного видеосигнала. Операция «демультиплексирование видеосигнала» возлагается на персональный компьютер оператора.
Ключевые слова: матрица ПЗС, телевизионная, система, телекамера, горячий прокат..
In composition television-computer system, is offered structured, scheme of the TV-camera, in which, is provided warning the garbling the video signal of the type «blooming» under television monitoring space with complex luminosity. TV-camera with a single CCDsensor is proposed, for performing the technological problem, of the displacement of overheated, renting. On output «Video» television cameras is provided shaping the multiplexed, video signal. Operation «demultiplexing the video signal» is entrusted on personal computer of the operator.
Keywords: CCD-matrix, television, system, TV-camera, hot and moving renting.
В работе [1] было опубликовано техническое решение по организации компьютерной регистрации, изображений, в условиях, когда освещенность или. яркость одного из объектов (фрагментов) наблюдаемой сцены, относительно других становится чрезмерно высокой. Ключевым, элементом, при выполнении поставленной задачи телевизионного фотографирования становится, построение электронной фотокамеры. (телекамеры, в режиме однократного сигнала изображения), которая должна обладать динамическим диапазоном, адекватным высокому контрасту наблюдаемых сюжетов.
В настоящей работе автором поставлена другая задача — возможность телевизионного наблюдения (мониторинга) в реальном, масштабе времени за поступательно и. синхронно движущимся, объектом, высокой облученности, видеосигнал которого должен передаваться на неискаженном изображении его окружения. Особенности, построения, телекамеры, на матрице приборов с зарядовой связью (матрице ПЗС) для. выполнения новой задачи являются, главным, предметом, предлагаемой. статьи..
Для выполнения компьютерной регистрации изображений, которая была предложена в работе [1], был использован метод формирования в телекамере мультиплексного сигнала
изображения. Составляющие этот сигнальный ряд видеокадры сформированы при двух различных длительностях экспозиции, которые оптимальны или близки к оптимальным значениям со-
ответственно для светлых и темных фрагментов сцены.
Следует отметить, что наблюдаемая там телекамерой сцена статична, а создаваемый мультиплексный видеосигнал реализуется в виде видеоряда, который максимально подготовлен для телевизионного фотографирования при помощи специализированной компьютерной программы, например AverTV [2]. Для выполняемой операции мультиплексирования это означает, что видеосигнал представляет собой две периодические последовательности, а в память компьютера заносятся два снимка, по одному из каждой последовательности.
На первом снимке яркие и светлые детали передаются видеосигналом без ограничения в белом. На втором снимке эти фрагменты видеосигнала
^^ а о
Рис. 1. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы
ограничены в белом, зато фрагменты видеосигнала, передающие темные и низкоосвещенные детали сцены, приобретают большее отношение сигнал/шум благодаря пропорциональному увеличению времени накопления. По видеосигналам записи первого и второго снимков в компьютере может быть синтезирован и снимок комбинированного изображения ранее регистрируемой статичной сцены.
На практике часто оказывается необходимым решать задачу телевизионного наблюдения (мониторинга) за поступательно движущимся ярким объектом, не теряя при этом и информации о его окружении в широком угловом поле зрения. Следовательно, здесь контролируемая сцена является не статичной, а динамичной, а операции «мультиплексирование — демультиплексирование сигнала изображения» должны осуществляться в реальном масштабе времени.
При этом технологически возможно обеспечить выполнение следующего дополнительного требования. А именно: вектор перемещения объекта должен предоставлять телекамере информацию по скорости, а само движение объекта по отношению к оптической проекции на мишени фотоприемника должно быть синхронным, т.е. осуществляться во взаимосвязи и совпадать во времени. Указанное требование вполне приемлемо при использовании телевизионных методов для научных исследований в области экспериментальной физики и для обслуживания технологических процессов в промышленности, включая производство изделий специального назначения.
Ниже приведено решение поставленной задачи на конкретном примере организации телевизионного наблюдения за движущимся по рольгангу горячим прокатом при помощи телекамеры, на мишень сенсора которой дополнительно установлена светорегу-лирующая шторка, перемещаемая синхронно с прокатом.
Как и в решении [1], задача выполняется в составе однокамерной компьютеризированной телевизионной системы.
На передающей стороне этой системы (рис. 1) располагается телекамера 1, а
Таблица 1. Команды управления телекамерой и их характеристики
Наименование команды Сигнал
Пуск кратковременная логическая «1»
Стоп кратковременная логическая «1»
Инициализация шторки логический «0»
Возврат шторки логическая «1»
Таблица 2. Зависимость времени накопления матрицы ПЗС в камерном модуле VSI-746 от кодовой комбинации на его втором управляющем входе
Номер вывода Время экспозиции (накопления) фотоприемника, мкс
10,0 100,0 200,0 500,0 1000,0 2000,0 4000,0 10 000,0
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
на приемной стороне — компьютер 2. Оператор осуществляет с компьютера управление телекамерой, подавая по кабелю линии связи 3 необходимые команды.
Наименование формируемых команд управления, обозначение выбираемых режимов и характеристика транслируемых сигналов с компьютера представлены в табл. 1.
В состав телекамеры 1 входят: объектив 1-1 , датчик телевизионного сигнала — ДТС 1-2, ЯЯ-триггер 1-3, селектор синхроимпульсов 1-4, счетчик-делитель 1-5, блок предустановки коммутации — БПК 1-6, блок сопряжения интерфейса 1-7, формирователь сигналов «рамка» и «окошко» — ФСРО 1-8, формирователь импульсов затвора — ФИЗ 1-9, блок управления шторкой — БУШ 1-10, шторка 1-11, редуктор 1-12 и видеосмеситель 1-13.
В поле зрения телекамеры 1 находится прокат (позиция 4), движущийся по приводному рольгангу 5, причем шторка 1-11 кинематически связана с ведущим валом рольганга 5-1. В качестве ДТС 1-2 может быть использован камерный модуль У31-746 [3], предлагаемый российской фирмой «ЭВС» (г. Санкт-Петербург). Датчик У31-746 выполнен на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582x752, имеет размер мишени по диагонали У дюйма, а также два управляющих входа, обеспечивающие возможность перехода из режима автома-
тической регулировки времени накопления (АРВН) в режим ручного управления временем экспонирования. Для датчика У31-746 первым управляющим входом является вывод 20 микросхемы СХБ2463Я. Если необходимо включить режим АРВН, нужно подать на этот вывод логический «0», для переключения в режим ручного управления временем накопления — логическую «1» в уровнях ТТЛ. Второй управляющий вход датчика У31-746 образуют выводы 11, 12, 13 той же микросхемы СХБ2463Я. Для работы 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 В. Когда необходимо переключение восьми значений фиксированных экспозиций в диапазоне от 10 мкс до 10 мс, на них должны быть поданы кодовые комбинации из нулей («0») и единиц («1»), указанные в табл. 2. Очевидно, что, если организовать режим накопления матрицы ПЗС в смежных кадрах, обеспечивая для них только две управляющие кодовые комбинации: «000» в одном кадре и «111» в другом, то в результате на выходе «Видео» будет сформирован мультиплексный видеосигнал. При этом комбинация «000» гарантирует минимальное время накопления фотоприемника, равное 10 мкс, а «111» — максимальное время в 10 000 мкс.
т, %
и, в
Рис. 3. Типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки
Блок управления шторкой (БУШ) 1-10 служит для инициализации процесса движения шторки 1-11 и управления ее возвратом в исходное начальное положение.
Редуктор 1-12 предназначен для выполнения от ведущего вала 5-1 рольганга механической передачи (зубчатой и червячной) в целях обеспечения поступательного движения шторки 1-11 синхронно с транспортированием горячего проката 4.
Шторка 1-11 накрывает на фотоприемнике оптическую проекцию изображения проката, при этом в процессе движения шторка испытывает усилие, вырабатываемое на выходе БУШ 1-10, и возвращается в исходное начальное положение при снятии этого усилия. Шторка 1-11 выполняет управляемое скачкообразное изменение облученности фотомишени матрицы ПЗС и может быть выполнена, как и в работе [1], по технологии [4] на основе элек-трохромного прибора. Шторка (рис. 2) представляет собой два плоскопараллельных стекла толщиной 2,5 мм, соединенные между собой в кювету так, что между внутренними поверхностями стекол образован зазор порядка 0,1 — 0,2 мм, заполненный электрохромным материалом ЭХМ-11. Внутренние поверхности стекол покрыты токопроводящим покрытием и
Рис. 2. Конструкция светорегулирующей ячейки
образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки. Характеристика пропускания входного светового потока для шторки (рис. 3) определяется свойсвами элек-трохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от ттах (70%) до ттШ (1 ^ 1,5%) составляет для большинства электрохромных ячеек величину ттах/ттЫ = 70 ^ 150 при подаче на выводы постоянного напряжения и, величина которого составляет около 1,2 В. Важно отметить, что физическое быстродействие изменения коэффициента пропускания такой шторки позволяет обеспечить управление параметром с частотой 50 Гц.
В предлагаемом решении размер шторки по вертикали соответствует числу строк, установленным для сигнала «окошко».
ФИЗ 1-9, состоящий из последовательно соединенных элемента «И» 1-9-1 и преобразователя уровней — ПУ 1-9-2, предназначен для формирования импульсов управления светопропускани-ем шторки.
Счетчик-делитель 1-5 выполняет деление входной частоты кадров на два, формируя на выходе меандр с периодом 2Тк, где Тк — период кадров. ФСРО 1-8 предназначен для получения сигналов «Рамка» и «Окошко» на одноименных выходах этого блока. Сигнал «Окошко» создает в пределах растра телекамеры «окно», в области которого предполагается наличие экстремальной облученности от проекции
проката. Сигнал «Рамка» позволяет производить необходимую подготовку системы к работе.
Видеосмеситель 1-13 предназначен для выполнения замеса в сигнал изображения наблюдаемой телекамерой сцены сигнала «Рамка».
Телевизионная система (рис. 1) работает следующим образом. В исходном состоянии с компьютера 2 по линии связи 3 в телекамеру через блок 1-7 сопряжения интерфейса на второй вход БУШ 1-10 поступает сигнал логической «1» в соответствии с командой «Возврат шторки» (табл. 1). Поэтому фотомишень ДТС 1-2 полностью и бесперебойно открыта. В исходном состоянии на входе «Б» и на входе «<К» ЯЯ-триггера 1-3 телекамеры присутствует низкий логический уровень. Поэтому сигнал логического «0» устанавливается на прямом выходе ЯЯ-триггера 1-3, на первом управляющем входе ДТС 1-2, на управляющем входе БПК 1-6 и на управляющем входе ФСРО 1-8. На выходе «Рамка» ФСРО 1-8 устанавливается сигнал соответствующего наименования. В телекамере действует режим автоматической регулировки времени накопления (АРВН), благодаря которому в фотоприемнике ДТС 1-2 в зависимости от максимальной или средней освещенности мишени будет установлена величина текущей экспозиции. На выходе композитного видеосигнала ДТС 1-2 формируется классический телевизионный сигнал.
В блоке 1-13 выполняется микширование видеосигнала с сигналом «Рамка», а на экране компьютерного монитора воспроизводится изображение наблюдаемой сцены с наложенной на него рамкой.
Предварительно выполненная пространственная ориентация телекамеры 1 должна быть такой, чтобы ожидаемая проекция движущегося проката в пределах растра была вписана в размеры контролируемого изображения рамки.
Пусть в некоторый момент оператор наблюдает на экране монитора появляющееся слева изображение горячего проката.
В этот момент оператор должен подать с компьютера 2 команду «Инициализация шторки». В результате выполнения этой команды осуществляется механическое сцепление шторки с редуктором 1-12 для последующего поступательного движения шторки синхронно с перемещением проката 4.
После завершения инициализации шторки оператор должен подать на вход «Пуск» телекамеры в соответствии с командой аналогичного наименования импульс положительной полярности (табл. 1).
В момент совпадения на «5»-входе ЯЯ-триггера 1-3 высокого уровня этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («СХС») входе состояние триггера изменяется. На прямом выходе триггера 1-3 устанавливается сигнал логической «1». Поэтому схема АРВН в датчике 1-2 отключается, а его второй управляющий вход оказывается подключенным к выходу БПК 1-6. При этом в ФСРО 1-8 снимается блокировка сигнала «Окошко»», а этот сигнал поступает на третий вход элемента «И» 1-9-1 и на одноименный выход телекамеры. Необходимо отметить, что независимо от коммутации на входе «Пуск» на вход счетчика-делителя 1-5 поступают КСИ — кадровые синхроимпульсы
(рис. 4а), а на его выходе продолжают формироваться импульсы с периодом Тд, равным 2Тк (рис. 4б). При подключении второго управляющего входа ДТС 1-2 к выходу коммутатора БПК 1-6 на этом входе на время действия низкого уровня меандра импульсов с выхода блока 1-5 устанавливается логическая комбинация «000», обеспечивающая «короткое» накопление зарядов («short charge») в фотоприемнике. По длительности это время кадрового накопления составляет Тн2 = 10 мкс (табл. 2). Когда же с выхода блока 1-5 будет подан высокий уровень меандра импульсов, тогда на это время на втором управляющем входе датчика 1-2 установится логическая комбинация «111», гарантирующая «длинное» накопление зарядов («long charge») в матрице ПЗС, продолжительность которого Та1 = 10 000 мкс (табл. 2). Отметим, что в этом режиме работы фотоприемника с ДТС 1-2 на второй
Рис. 4. Эпюры сигналов, поясняющие формирование импульсов управления светорегулирующей ячейкой
«Короткий» видеокадр
«Длинный» видеокадр
Рис. 5. Временная диаграмма, поясняющая работу телекамеры
вход элемента «И» 1-9-1 будет поступать новый сигнал «Накопление», показанный на рис. 4в. Поэтому с выхода элемента «И» 1-9-1 на вход ПУ 1-9-2 приходит новый сигнал, который формирует и новый сигнал управления шторкой (рис. 4д). Этот сигнал в другом масштабе показан на рис. 5г.
Следовательно, в интервале «Окошка» с периодом 2Тк будет обеспечиваться отсутствие светопропускания поступательно движущейся шторки 1-11, когда на фотомишени матрицы ПЗС выполняется «длинное» за-
рядовое накопление кадра — «long charge».
В результате на выходе композитного видеосигнала ДТС 1-2 будет формироваться мультиплексный сигнал изображения (рис. 5д), в котором смежные видеокадры по длительности накопления зарядов являются соответственно «длинным» видеокадром и «коротким» видеокадром. Эти видеокадры, как и кадры изображения классического телевизионного сигнала, считываются из матрицы ПЗС в последующем кадровом интервале по отношению к зарядовому накоплению.
При этом в «длинном» видеокадре исключен блюминг видеосигнала за счет изоляции шторкой 1-11 оптической проекции яркосветящегося проката на фотомишень ДТС 1-2. Сформированный видеоряд мультиплексного сигнала изображения (рис. 5д) и сигнал «Окошко» (рис. 5б) поступают из телекамеры 1 в компьютер 2.
Аппаратный и программный продукт, установленный в компьютере, обеспечивает демультиплексирование входного видеосигнала, что включает выполнение поочередной записи в па-
мять компьютера текущих «длинных» и «коротких» видеокадров, считывание из памяти видеокадров по сигналу «Окошко» и формирование комбинированного видеосигнала. Готовый видеосигнал способен к воспроизведению в реальном масштабе времени на экране компьютерного монитора. Технический результат предлагаемого решения заключается в том, что оператор наблюдает в реальном времени не только неискаженное изображение движущегося проката, но и окружающую рольганг обстановку с повышенным отношением сигнал/шум для темных и слабоосвещенных ее сюжетов.
После завершения транспортирования очередной раскаленной заготовки оператор подает с компьютера команду «Возврат шторки». В дальнейшем технологическая операция по транспортированию горячего проката может быть повторена точно так же, как это было описано выше.
Выводы
Л При организации телевизионного мониторинга за поступательным и синхронным движением объекта высокой яркости, в целях повышения качества получаемой информации в условиях
сложной освещенности контролируемой сцены, рекомендуется использовать предложенную идею построения телекамеры, которая обеспечивает формирование на ее выходе неискаженного мультиплексного видеосигнала. ,2 Дистанционное управление режимами работы телекамеры и выполнение операции демультиплексирования видеосигнала в реальном масштабе времени возлагается на персональный компьютер оператора (пользователя).
Устройство телевизионно-компью-терной системы (рис. 1) признано изобретением [5]
Литература
1. Смелков В.М. Проектирование телекамеры, для. компьютерной регистрации изображений в условиях сложной освещенности и локальной световой перегрузки / Спецтехника и связь, 2012. — № 2. — С. 48 — 54.
2. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV307 от компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. — Тайвань.
3. Телевизионные камеры, фирмы. «ЭВС», каталог, 2005.
4. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». — Новгород (Великий Новгород), 1979.
5. Решение о выдаче патента РФ на изобретение по заявке №2011147023(070524) от 27.09.2012, МПК H04N 7/18. Телевизионная система для. наблюдения, за перемещением, горячего проката / В.М. Смелков.
Общество с ограниченной ответственностью
k СПЕЦИАЛЬНЫЕ iТЕХНИЧЕСКИЕ
1и
Г КРИМИНАЛИСТИЧЕСКИЕ
Лицензии ФСБ России ГТ № 0011838 от 27.06.2008 г. и ЛЗ № 0015048 от 25.08.2008 г.
Оснащение субъектов оперативно-розыскной деятельности, служб безопасности; технические средства для обеспечения безопасности бизнеса; криминалистическое оборудование.
Адрес: Москва, Ленинградское ш., д. 80, корп. 22 (Балтийская ул., д. 9) Почтовый адрес: 109052 Москва, а/я 61, ООО «СТИКС-тел./факс (495) 755-6199, 755-6410 E-mall: [email protected], [email protected]
