Способ расширения динамического диапазона передаваемых градаций яркости и/или освещенности в телевизионной системе

 

Изобретение относится к телевизионной технике для обеспечения возможности телевизионного мониторинга объектов со сверхбольшим диапазоном освещенности. Технический результат достигается инструментальным разбиением всего светового диапазона на несколько параллельных каналов преобразования, меняют информативность различных участков всего диапазона яркости и/или освещенности объекта и крутизну преобразования свет - сигнал отдельных каналов. В каждом преобразователе свет - сигнал имеет устройство смещения светового диапазона. Сумма динамических диапазонов всех каналов тракта преобразования равна диапазону яркости и/или освещенности объекта так, что естественный диапазон освещенностей может быть восстановлен с необходимым количеством градаций яркости. 1 ил.

Изобретение относится к области телевидения, а в ней к системам мониторинга и разведки с использованием телевизионных средств.

Динамический диапазон современных телевизионных систем, предназначенных для анализа телевизионных изображений, определяется соответствующими техническими характеристиками всего телевизионного тракта. Основными параметрами, определяющими динамический диапазон телевизионной системы, являются: - Отношение сигнал/шум преобразователя свет/сигнал; - Линейность характеристики преобразования свет/сигнал.

Земные объекты могут иметь диапазон освещенностей 10⁴÷10⁵, а объекты космические (например, поверхность Луны) - 10⁷÷10⁸. Динамический диапазон D определяется соотношением где E_max и E_min - максимальная и минимальная освещенности объекта соответственно, a ΔE - минимальное дифференциальное значение освещенности объекта, подлежащее анализу. Так положив, например, ΔЕ=1 лк, получим значение динамического диапазона, численно равное диапазону освещенностей. Получение телевизионных изображений объектов с подобными динамическими диапазонами освещенности потребует отношения сигнал/шум преобразователя свет/сигнал: - Для земных объектов - 80÷100 дБ; - Для космических объектов - 140÷160 дБ.

Существующие преобразователи свет/сигнал (ПЗС-матрицы) обеспечивают отношение сигнал/шум примерно 63÷65 дБ, что соответствует передаче 1400÷1700 градаций яркости. Дальнейшее увеличение отношения сигнал/шум при помощи охлаждения преобразователя не дает значительного выигрыша. Таким образом, проведение качественного мониторинга объектов со сверхбольшим диапазоном яркостей практически невозможно.

Известны способы получения качественного телевизионного изображения при большой яркости объекта [1, 2]. Они заключаются в уменьшении чувствительности телевизионной камеры при большой яркости объекта. Более близким способом, принятым за прототип, является способ, использованный в устройстве [2]. Этот способ позволяет осуществлять передачу изображений объекта с большой яркостью за счет уменьшения времени накопления и, следовательно, уменьшения чувствительности телевизионной камеры. Однако этот способ уменьшает динамический диапазон, так как уменьшается выходной видеосигнал при постоянном значении шумов преобразователя свет/сигнал, что приводит к уменьшению динамического диапазона и потере информативности телевизионного изображения.

Целью предлагаемого изобретения является обеспечение возможности телевизионного мониторинга объектов со сверхбольшим диапазоном освещенности. Поставленная цель достигается следующим образом.

Строится система из N каналов, причем оптическое изображение сцены совмещается с их ТВ растрами, а в качестве преобразователя "свет/сигнал" в каждом из каналов используется ПЗС-матрица (одна или в сочетании с ЭО-Пом). Одним из способов, упомянутых выше и описанных в [1, 2], регулируют экспозицию или время накопления зарядов в ПЗС каналах, рассчитанных на передачу объектов, имеющих большие уровни освещенностей, оставляя чувствительность в каналах, рассчитанных на передачу "темных" мест сцены, максимальной. При этом регулируют уровни "отсечки" сигналов, устанавливая соответствующий режим ПЗС в каналах так, как это описано, например, в [3].

Далее, зная величину отношения сигнал/шум преобразователя свет/сигнал, определяют величину динамического диапазона одного канала и разбивают динамический диапазон яркостей объекта на N каналов: где U_сп - линейный участок преобразователя свет/сигнал (по выходу); U_шп - напряжение шумов преобразователя свет/сигнал.

Далее определяют крутизну S преобразования свет/сигнал, приведенную ко входу:

и, наконец, величина светового смещения каждого канала:

где Е_i - минимальное пороговое значение освещенности объекта, с которого начинает работать данный канал;
N_i - номер данного канала.

Следует отметить, что имеется возможность менять информативность различных участков всего диапазона освещенности объекта, изменяя световой диапазон и крутизну преобразования свет/сигнал отдельных каналов.

И, наконец, все каналы собирают в единую систему таким образом, чтобы минимальный уровень светового диапазона каждого канала соответствовал уровню ограничения светового диапазона предыдущего канала, а сумма динамических диапазонов всех каналов тракта преобразования была бы равна динамическому диапазону освещенности объекта. Сущность предлагаемого способа проиллюстрирована на чертеже. В системе координат (Е, S) представлена освещенность проекции i - строки телевизионного растра на объекте. В соответствии с вышеизложенным весь диапазон освещенности (Е) разбит на три зоны таким образом, что минимальный уровень освещенности каждой зоны соответствует максимальному уровню освещенности предыдущей зоны. В системе координат (U_c, t) приведены видеосигналы трех телевизионных каналов, настроенных таким образом, что минимальный уровень видеосигнала (U_c) каждого канала соответствует уровню ограничения размаха видеосигнала предыдущего канала.

Использование предлагаемого способа позволяет осуществлять мониторинг объектов с любым диапазоном яркостей (освещенностей) практически с любым заданным минимальным дифференциальным значением освещенности, подлежащим анализу.

Перечень использованных источников
1. Телекамера на основе фотоприемной матрицы ПЗС. Патент RU 2129337 С1.

2. Телевизионная камера на приборах с зарядовой связью. Патент RU 2092977 С1.

3. Стенин В.Я. Применение микросхем с зарядовой связью. Москва, Радио и связь. 1989, стр. 218-224.

Формула изобретения

Способ расширения динамического диапазона передаваемых градаций яркости и/или освещенности в телевизионной системе, состоящий в преобразовании свет - сигнал, отличающийся тем, что динамический диапазон яркостей и/или освещенностей и тракт преобразования разбивают на несколько параллельных каналов преобразования, причем меняют информативность различных участков всего диапазона яркости и/или освещенности объекта и крутизну преобразования свет - сигнал отдельных каналов, в каждом из которых используют преобразователь свет - сигнал, имеющий устройство смещения светового диапазона, при этом минимальный уровень светового диапазона каждого канала соответствует уровню ограничения светового диапазона предыдущего канала таким образом, что сумма динамических диапазонов всех каналов тракта преобразования равна динамическому диапазону яркости и/или освещенности объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1