CC BY
40
СМЕЛКОВ Вячеслав Михайлович, доктор технических наук
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕЛЕКАМЕРЫ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ РЕГИСТРАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ В УСЛОВИЯХ СЛОЖНОЙ ОСВЕЩЕННОСТИ И ЛОКАЛЬНОЙ СВЕТОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ
В составе телевизионно-компьютерной системы, предложена структурная схема телекамеры, в которой обеспечивается, предупреждение искажений видеосигнала типа ««расплывание» при телевизионном фотографировании сюжета со сложной освещенностью.
Ключевые слова: матрица ПЗС, телевизионная, система, телекамера, экспозиция, телевизионное фотографирование.
In composition television-computer system, is offered structured, scheme of the television camera, in which is provided warning the garbling the video signal of the type «blooming» under television, photo controlled, space with complex luminosity.
Keywords: CCD-matrix, television system, television camera, exposure, television photo.
В работе [1] было опубликовано техническое решение по организации телевизионного фотографирования, в условиях сложной освещенности наблюдаемой сцены. В ней показано, что в таких эксплуатационных условиях для. эффективной работы, телекамеры, выполненной на матрице ПЗС, целесообразно обеспечить режим экспозиции фотоприемника с ««коротким» и «длинным» по продолжительности накоплением, информационных зарядов. На выходе телекамеры, формируется мультиплексный видеосигнал, а по наблюдаемому на экране монитора изображению оператор выполняет при помощи специализированной программы. запись из этого видеоряда двух снимков в память компьютера. Позднее устройство телевизионной системы по этому решению было признано изобретением [2].
В настоящей работе автор совершенствует предложенное решение применительно к ситуации, когда освещенность или яркость одного из объектов (фрагментов) сцены, относительно других становится чрезмерно высокой, обеспечивая в новом устройстве телекамеры защиту от расплывания (блюминга) для видеосигнала снимка с «длинным» накоплением.
В интересах правильного понимания читателем авторского замысла позволю себе некоторое дополнительное отступление и пояснение.
Физика работы фотоприемника на ПЗС при оценке его инерционности позволяет ограничиться процессом фотогенерации, т.е. следует учитывать только само накопление зарядов элементами (пикселами) мишени. Результаты исследований показали, что световая перегрузка с освещенностью 1,4*108 лк
от имитатора солнечного излучения не приводит к появлению в ПЗС-матрице необратимых дефектов (прожогов), а устойчивость фотоприемника к перегрузке не зависит от продолжительности экспонирования [3].
Важно отметить, что «пауза» восстановления сигнала изображения матрицы ПЗС после окончания световой перегрузки занимает не более одного полу-кадра по телевизионному стандарту [4]. Если световая перегрузка на входе телекамеры сохраняется, то для устранения блюминга видеосигнала необходимо уменьшить время накопления фотоприемника, обеспечив при этом отвод всех избыточных зарядов.
К сожалению, в современных матрицах ПЗС технологическая организация отвода избыточных зарядов или их ан-тиблюмингового стока недостаточна эффективна.
Рис. 1. Структурная схема телевизионно-компьютерной системы
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
Рис. 2. Конструкция светорегулирующей ячейки
По этой причине в телекамере, выполненной согласно решению [1], при телевизионном фотографировании сцены со сложной освещенностью и большим световым перепадом ее отдельного фрагмента видеосигнал снимка с «длинным» накоплением может быть поражен эффектом блюминга.
В представленном ниже новом решении телекамеры для снимка с «длинным» накоплением в «окне» кадра
— априорно заданной в пространстве области сверхвысокой (предельной) облученности на фотомишени матрицы ПЗС гарантируется неискаженный уровень зарядового рельефа для этой площади. Одновременно при выполнении этого снимка на остальной площади фотомишени исключено воздействие предельной облученности на сам процесс экспонирования.
Рассмотрим устройство новой телекамеры в составе телевизионно-компьютерной системы, изображенной на рис. 1.
Система содержит на передающей стороне телекамеру 1, на приемной стороне — компьютер 2, между ними — линию связи 3.
Телекамера 1 включает в свой состав последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1-1, светорегулирующую ячейку 1-11 и датчик
телевизионного сигнала (ДТС) 1-2, а также ЯЯ-триггер 1-3, последовательно соединенные селектор 1-4 синхроимпульсов, счетчик-делитель 1-5 и блок предустановки и коммутации (БПК) 1-6; последовательно соединенные элемент «И» 1-9 и преобразователь уровней (ПУ) 1-10, выход которого подключен к входу управления ячейки 1-11 ; последовательно соединенные формирователь сигналов «рамка» и «окошко» (ФСРО) 1-8 и видеосмеситель 1-12.
Через блок 1-7 сопряжения интерфейса входы телекамеры 1: «Пуск», «Стоп» и «Перегрузка/Норма» подключены к линии связи 3, а далее — к соответствующим выходам этих управляющих сигналов на компьютере 2.
Выходы телекамеры 1: «Видео» и
«Окошко» подключены через линию связи 3 на соответствующие входы компьютера 2.
Как и в решении [1], в качестве ДТС 1-2 может быть использован предлагаемый российской фирмой «ЭВС» (г. Санкт-Петербург) камерный модуль УЯ1-746, который выполнен на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582x752 и размером мишени по диагонали У дюйма.
Для датчика УЯ1-746 первым управляющим входом является вывод 20 микрос-
хемы СХЭ2463Я. Если необходимо в телекамере включить автоматическую регулировку времени накопления (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 УЯ1-746 образуют выводы 11, 12, 13 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. 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 табл. 1.
В предлагаемом решении, как и ранее, используются две кодовые комбинации: «000», соответствующая минимальному времени накопления фотоприемника, равному 10 мкс, и «111»
— максимальному времени в 10 000 мкс. Предустановка этих кодов предусмотрена в БПК 1-6. Светорегулирующая ячейка 1-11 предназначена для управляемого скачкообразного изменения облученности фотомишени матрицы ПЗС и может быть выполнена по технологии [5] на основе электрохромного прибора. Ячейка 1-11 (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 образуют электроды, выводы которых расположены снаружи ячейки. Световая характеристика ячейки 1-11 (рис. 3) определяется свойствами элек-трохромной жидкости. Изменение коэффициента пропускания от ттах (70%) до %тп (1 1,5%) составляет для большинства ячеек величину %шса/%шП = 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 ячейки позволя-
Рис. 3. Типовая характеристика пропускания светорегулирующей ячейки
Таблица 2
Команда Сигнал
Норма Логический «0»
Пуск Кратковременная логическая «1»
Стоп Кратковременная логическая «1»
Перегрузка Логическая «1»
ет обеспечить управление параметром с частотой 50 Гц.
В предлагаемом решении пространственное положение и геометрические размеры ячейки соответствуют временному размещению в растре и параметрам в единицах времени, установленным для сигнала «окошко».
Как показано на рис. 1, ячейка 1-11 установлена в заднем отрезке объектива 1-1, но по соображениям конструкторского решения телекамеры может быть установлена на его входе. К этому следует добавить, что при проектировании оптической схемы телекамеры целесообразно рассмотреть вопрос о технологической возможности объединения (интегрирования) ячейки и объектива путем создания монолитного оптического блока.
Преобразователь уровней ПУ 1-10 предназначен для преобразования уровней логических сигналов с выхода элемента «И» 1-9 в уровни сигналов (и1, и2), необходимые для управления светопропусканием ячейки 1-11.
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. Сигнал «Рамка» позволяет оператору компьютера контролировать пространственное положение этого «окна». Необходимо отметить, что сигнал «Рамка» поступает на одноименный выход только тогда, когда на управляющем входе ФСРО 1-8 присутствует логическая «1».
Для максимального числа применений можно рекомендовать, чтобы «окно» занимало центральный фрагмент растра, но его форма может быть произвольной, например, квадрат, прямоугольник или круг.
Естественно, что обязательным условием такого решения является необходимость адекватного изменения геометрической формы и геометрических размеров светорегулирующей ячейки 1-11.
Селектор 1-4 синхроимпульсов предназначен для выделения из композитного видеосигнала на входе сигнала синхронизации приемника (ССП) с последующим формированием на выходе кадрового синхронизирующего импульса (КСИ).
Счетчик-делитель 1-5 предназначен для выполнения деления частоты КСИ с 50 Гц до частоты 0,2 — 0,1 Гц.
Период выходных импульсов Тд блока 1-5: Тд = шТк, где Тк — период следования КСИ, п — коэффициент деления. ЯЯ-триггер 1-3 является тактируемым триггерным устройством ЯЯ-типа с высоким активным уровнем на входах управления.
Телевизионная система (рис. 1) работает следующим образом. Дистанционное управление работой телекамеры 1 осуществляется с компьютера 2 по линии связи 3. Наименования формируемых команд управления и характеристика транслируемых через интерфейс 1-7 сигналов представлены в табл. 2.
Отметим, что целесообразно осуществлять подачу указанных команд через унифицированный интерфейс, например ЯЯ-232. Добавим, что на экране монитора компьютера 2 вос-
производится видеосигнал, формируемый телекамерой 1, что легко обеспечивается, например, если используется компьютер с операционной системой Шіп^зд^ ХР, в котором установлен продукт серии ЛУегТУ [6].
В исходном состоянии с компьютера 2 по линии связи 3 на четвертый вход элемента «И» 1-9 подается сигнал логического «0» в соответствии с командой «Норма» (пунктир на рис. 4г). Следовательно, на выходе элемента «И» 1-9 устанавливается
тоже логический «0». Поэтому на выходе ПУ 1-10 формируется высокий уровень напряжения и2 (пунктир на рис. 4е), который обеспечивает максимальное и бесперебойное светопропу-скание ячейки 1-11.
В исходном состоянии на входе «Я» и на входе «Я» 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.
В телекамере действует режим АРВН, благодаря которому в фотоприемнике ДТС 1-2 по сильноосвещенному или яркому сюжету будет установлена величина текущей экспозиции. Для передаваемых в одном телевизионном поле темных и слабоосвещен-ных деталей сцены это время экспонирования приведет к реальной потере чувствительности телекамеры, а, следовательно, и к искажениям соответствующих фрагментов изображения регистрируемого в компьютере снимка записи. Наличие в поле зрения телекамеры области световой перегрузки добавит к этим искажением и блюминг видеосигнала.
Пусть на вход «Пуск» телекамеры в соответствии с командой аналогичного наименования подается импульс положительной полярности (табл. 2).
В момент совпадения на «Я»-входе ЯЯ-триггера 1-3 (рис. 1) высокого уровня
этого импульса с высоким уровнем кадровых синхроимпульсов на его тактовом («CLC») 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 «Рамка», а этот сигнал поступает на первый вход видеосмесителя 1-12.
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 Тн1 = 10 мкс (табл. 1).
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 Тн2 = 10 000 мкс. (табл. 1). Отметим, что в этом режиме накопления фотоприемника с ДТС 1-2 на второй вход элемента «И» 1-9 будет поступать новый сигнал «Накопление», показанный на рис. 4в.
Оператор на экране монитора компьютера наблюдает два изображения, сменяющиеся с интервалом Тд /2. По времени этот интервал составляет 5 — 10 с. Одно из изображений соответствует последовательности видеокадров, сформированных телекамерой при времени накопления 10 мкс, другое — последовательности видеокадров при времени накопления 10 000 мкс. Отметим, что на обеих последовательностях
Рис. 5. Временная диаграмма, поясняющая работу системы
данного видеоряда присутствует изображение и электронной «рамки». Допустим, что в процессе работы телекамеры в режиме прототипа на изображении появляется блюминг. Тогда необходимо, используя электронную «рамку», провести пространственную ориентацию телекамеры так, чтобы сильноосвещенные или яркие объ-
екты воспринимались в центральной части ее угла зрения, т.е. в соответствии с положением в растре сигнала «Окошко», а с компьютера подать команду «Перегрузка» — сигнал логической «1» (табл. 2).
В соответствии с этой командой высокий логический уровень поступает на четвертый вход элемента «И» 1-9
(рис. 4г). Отметим, что на первый его вход поступает сигнал «Накопление» с ДТС 1-2 (рис. 4в), на второй вход — сигнал с выхода счетчика-делителя 1-5 (рис. 4б), а на третий вход — сигнал «Окошко» с выхода ФСРО 1-8
(рис. 4д).
Поэтому на вход ПУ 1-10 поступает новый сигнал с выхода элемента «И»
1-9, который формирует импульсный сигнал управления ячейкой 1-11 (рис. 4е). В результате в интервале «окошка» с периодом Тк обеспечивается отсутствие светопропускания ячейки во время Тн2, когда на фотомишени матрицы ПЗС выполняется «длинное» зарядовое накопление кадра — «long charge».
На общей временной диаграмме работы телекамеры эпюры сигналов, изображенные на рис. 4б и 4д, представлены соответственно на рис. 5в и 5б, а выходной видеосигнал — на рис. 5г. Эти видеокадры, как и кадры изображения классического телевизионного сигнала, считываются из матрицы ПЗС в последующем кадровом интервале по отношению к зарядовому накоплению. Новый видеосигнал, формируемый на выходе «Видео» ДТС 1-2, обладает расширенным динамическим диапазоном, т.к. в матрице ПЗС оптимизировано накопление зарядов для светлых и темных фрагментов сцены, а в нем априо-
ри исключен блюминг видеосигнала в экстремальных условиях сложной освещенности.
Далее, как и в прототипе, выбрав в компьютерной программе закладку «Снимки» и задав интервал времени между двумя последовательными снимками, равным Тд /2, оператор выполняет запись этих снимков и сохранение в папке компьютерной памяти. При этом в условиях избыточной облученности, по сравнению с прототипом, в снимке с «длинным» накоплением будут отсутствовать прежние искажения из-за устранения блюминга видеосигнала.
По видеосигналам записи первого и второго снимков, а также сигнала «Окошко» в компьютере аппаратнопрограммными средствами может быть сформирован телевизионный сигнал комбинированного изображения.
Если условия экстремального облучения объектов для телекамеры пре-
кратятся, то следует подать команду «Норма» — сигнал логического «0» (табл. 2). Тогда будет восстановлено бесперебойное светопропускание ячейки 1-11 и режим прототипа для видеосигнала телекамеры.
Выводы
Л При организации телевизионного фотографирования сцены со сложной освещенностью и наличии в ней локального участка световой перегрузки рекомендуется использовать телекамеру, выполненную по предлагаемой структурной схеме и формирующую неискаженный мультиплексный видеосигнал.
Дистанционное управление работой телекамеры, выполнение записи и хранения снимков, а также формирование на их основе комбинированного видеосигнала возлагается на персональный компьютер оператора (пользователя)
Литература
1. Смелков В.М. Охранная телевизионная система с расширением динамического диапазона в режиме компьютерной регистрации изображений / Специальная, техника, 2007. — № 6. — С. 34 — 37.
2. Патент. 2364052 РФ. МПК HO4N 5/225. Телевизионная, система для. регистрации изображений в условиях сложной освещенности и/или сложной яркости объектов / В.М. Смелков // Б.И. — 2009. — № 22.
3. Гридин А.С., Салин В.И., Сущев Г.А., Подгорский Е.Г. Ратников А.Н., Трофимов М.Н. Оценка устойчивости фотоприемника на ПЗС к световым, перегрузкам../ Техника средств связи, серия. «Техника телевидения», 1983. — Вып. 2. — С. 28 — 32.
4. Смелков В.М. Оценка времени восстановления телевизионной камеры, на ПЗС-матрице после воздействия, световой перегрузки./ Специальная, техника, 2004. — № 1. — С. 38 — 40.
5. Разработка светорегулирующих ячеек и технологического процесса их изготовления. Технический отчет по теме «Балтика». — Новгород (Великий Новгород), 1979.
6. Руководство по быстрой установке продукта Aver TV307 от. компании AverMedia TECHNOLOGIES, Inc. (Тайвань).
