Способ телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2317652:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт промышленного телевидения "РАСТР (ФГУП "НИИ ПТ "РАСТР") (RU)
Изобретение относится к передающей телевизионной технике, выполняющей телевизионное наблюдение 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. Технический результат при использовании изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне "окна" путем повышения отношения сигнал/шум для темных и/или низко освещенных деталей объектов, - достигается тем, что составляющие комбинированного изображения формируются в зарядовой форме на мишенях первого и второго телевизионных датчиков при различных временах экспозиции, оптимальных для каждого из передаваемых фрагментов сцены. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к передающей телевизионной технике, выполняющей телевизионное наблюдение в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, когда в поле зрения 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 способ телевизионного наблюдения [1], заключающийся в том, что входное оптическое изображение проецируют на фотомишени первого и второго датчиков телевизионного сигнала, выполненных на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), синхронизируют датчики по частоте и фазе, в каждом из датчиков формирование видеосигнала выполняют с использованием автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), в пределах кадра последовательно коммутируют полный телевизионный сигнал от первого и второго датчиков, воспроизводят на экране видеомонитора сигнал комбинированного изображения.
Устройство прототипа [1] состоит из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и светоделителя, а также селектора синхроимпульсов, формирователя сигналов "рамка" и "окошко" и коммутатора-смесителя, выход которого подключен к входу видеомонитора, причем первый выход светоделителя оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, геометрические размеры фотомишеней первого и второго датчиков одинаковы, вход "синхро" второго датчика подключен к выходу "синхро" первого датчика, выход "видео" которого подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "видео" второго датчика, а третий информационный вход коммутатора-смесителя - к выходу формирователя сигналов "рамка" и "окошко".
В устройстве прототипа наблюдается комбинированное изображение, формирование которого является результатом синтеза изображений, вырабатываемых первым и вторым датчиками телевизионного сигнала. В расположенном по центру "окне" комбинированного изображения передается центральный фрагмент увеличенного по масштабу изображения от второго датчика, а вокруг "окна", т.е. вне его - изображение от первого датчика с неизменным масштабом.
При эксплуатации устройства телевизионного наблюдения 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 процесс сварки, в том числе для управления сварочными процессами тугоплавких материалов в автоматическом или полуавтоматическом режиме.
При работе прототипа в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов в "окне" формируется изображение от сильно освещенного или яркого (светлого) объекта, а вне "окна" - изображение от низкоосвещенного и/или темного сюжета. При этом время накопления за кадр, устанавливаемое для первого и второго датчиков телевизионного сигнала в автоматическом режиме при помощи электронного затвора их фотоприемников по одному (общему) сюжету, оказывается явно заниженным для второго датчика. Аналогичная ситуация для этого датчика имеет место по другому регулируемому параметру - коэффициенту усиления. В результате видеосигнал от темных и/или низкоосвещенных деталей для передаваемого вне "окна" изображения может либо существенно уменьшиться, либо быть вовсе утерянным.
Недостаток прототипа - ограниченный динамический диапазон градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне "окна".
Задача изобретения - расширение динамического диапазона градаций яркости для объектов контроля, передаваемых в комбинированном изображении вне "окна", путем повышения отношения сигнал/шум для темных и/или низкоосвещенных объектов.
Поставленная задача решается тем, что в заявляемом способе оптическое изображение от сильно освещенных и/или ярких объектов занимает центральную часть угла поля зрения, формирование управляющего сигнала АРЧ в каждом из датчиков выполняют по зарядовому рельефу отдельно взятой области фотомишени, причем второй датчик реализует эту функцию по центральной области его фотомишени, а первый датчик - по всей области его фотомишени, за исключением центральной.
Поставленная задача в заявляемом устройстве, предназначенном для осуществления заявленного способа, решается тем, что в устройство телевизионного наблюдения прототипа, состоящее из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и светоделителя, первый выход которого оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, причем геометрические размеры фотомишеней первого и второго датчиков одинаковы, вход "синхро" второго датчика подключен к выходу "синхро" первого датчика, выход "видео" которого подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "видео" второго датчика, а выход коммутатора-смесителя подключен к входу видеомонитора, введены следующие признаки, а именно: проекции оптического кадра объектива на фотомишенях первого и второго датчиков совпадают, "окно" фотометрирования АРЧ второго датчика установлено на центральную область его фотомишени, "окно" фотометрирования АРЧ первого датчика - на всю область его фотомишени, кроме центральной, а третий информационный вход коммутатора-смесителя подключен к выходу сигнала "окошко" первого датчика телевизионного сигнала.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается наличием новых признаков, а именно наличием следующих действий:
- пространственной ориентацией оптического изображения от сильно освещенного и/или яркого объекта в центральную часть угла поля зрения телевизионного наблюдения;
- формированием управляющего сигнала АРЧ в первом датчике телевизионного сигнала по центральной области фотомишени;
- формированием управляющего сигнала АРЧ во втором датчике телевизионного сигнала по всей области фотомишени, за исключением центральной.
Совокупность известных и новых признаков не известна из уровня техники, поэтому заявляемый способ отвечает требованию новизны.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается формой выполнения элементов, а именно: формой выполнения каждого из датчиков в части предварительной установки "окна" фотометрирования, параметрами элементов, а именно: совпадением проекции оптического кадра объектива на фотомишенях первого и второго датчиков и новой связью между элементами, а именно: связью первого датчика телевизионного сигнала с коммутатором-смесителем.
Совокупность известных и новых признаков заявляемого устройства не известна из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию новизны.
В предлагаемом решении первичное формирование составляющих видеосигнала комбинированного изображения выполняется в зарядовой форме на мишенях первого и второго датчиков при различных временах экспозиции и коэффициента усиления видеотракта, оптимальных или близких к оптимальным значениям для каждого из передаваемых фрагментов сцены.
В выходном изображении заявляемого решения яркие и светлые детали передаются видеосигналом второго датчика, как и в прототипе, без ограничения в белом, но только в пределах "окна".
В пределах оставшейся области кадра комбинированного изображения (вне "окна") осуществляется передача темных и/или низкоосвещенных деталей сцены, выполняемая видеосигналом первого датчика. Но в отличие от прототипа время накопления фотоприемника и коэффициент усиления видеоусилителя первого датчика устанавливаются путем оценки зарядового рельефа только этой области.
Поэтому отношение сигнал/шум (ψ) для передаваемых вне "окна" темных и/или низкоосвещенных деталей сцены увеличивается пропорционально увеличению для них времени накопления фотоприемника и коэффициента усиления видеоусилителя.
По техническому результату и методам его достижения заявляемое решение соответствует требованию о наличии изобретательского уровня.
На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства, реализующего заявляемый способ; на фиг.2 показано устройство светоделителя; на фиг.3 изображены области фотометрирования для первого и второго датчиков; на фиг.4 - пример схемного решения, поясняющий предустановку областей фотометрирования; на фиг.5 - пример изображения, воспроизводимого на экране видеомонитора.
Заявляемое устройство телевизионного наблюдения (см. фиг.1) содержит последовательно расположенные и оптически связанные объектив 1 и светоделитель 2, первый выход которого оптически связан с фотомишенью первого датчика 3 телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя 2 - с фотомишенью второго датчика 4 телевизионного сигнала, причем геометрические размеры фотомишеней первого и второго датчиков одинаковы, а проекции оптического кадра объектива на фотомишенях совпадают, предустановка "окна" фотометрирования датчика 4 выполнена для центральной области его фотомишени, а предустановка "окна" фотометрирования датчика 3 - для всей области его фотомишени, кроме центральной, вход "синхро" датчика 4 подключен к выходу "синхро" датчика 3, выход "видео" которого подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя 5, второй информационный вход которого подключен к выходу "видео" датчика 4, третий информационный вход - к выходу сигнала "окошко" датчика 3, а выход - к входу видеомонитора 6.
Светоделитель 2 при взаимно перпендикулярном расположении фотомишеней датчиков 3 и 4 содержит (см. фиг.2а) полупрозрачное зеркало 2-1, вход которого является входом светоделителя, а первый и второй выходы полупрозрачного зеркала - соответственно первым и вторым выходами светоделителя.
Светоделитель 2 при взаимно параллельном расположении фотомишеней датчиков 3 и 4 содержит (см. фиг.2б) последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало 2-1 и отражающее зеркало 2-2, причем вход полупрозрачного зеркала является входом светоделителя, а выход отражающего зеркала и второй выход полупрозрачного зеркала - соответственно первым и вторым выходами светоделителя.
В заявляемом решении датчики телевизионного сигнала 3 и 4, как и в прототипе, синхронизированы в режиме Genlock с привязкой частоты и фазы по сигналу синхронизации приемника (ССП) от датчика 3. Возможна и другая, не показанная на фиг.1, организация внешней синхронизации: по сигналу ССП с выхода "синхро" датчика 4 на вход "синхро" датчика 3.
В качестве датчика 3 может быть использована предлагаемая российской фирмой "ЭВС" (г. Санкт-Петербург) бескорпусная камера VSI-746, а в качестве датчика 4 - бескорпусная камера VNI-702 [2], которые выполнены на основе матрицы ПЗС с числом элементов 582×752 и размером мишени по диагонали 1/2 дюйма. При одинаковых геометрических размерах фотомишеней датчиков 3 и 4 составляющие комбинированного изображения (в "окне" и вне "окна") будут иметь неизменный масштаб.
При необходимости иметь в пределах "окна" увеличенное изображение геометрические размеры фотомишени первого датчика должны превышать соответствующие размеры второго датчика. Пусть размер мишени по диагонали для первого датчика составляет 1/2 дюйма, а для второго - 1/4 дюйма. Тогда кратность масштабирования комбинированного изображения составит 1/2:1/4=2 раза.
В устройстве прототипа для каждого из датчиков управляющий сигнал АРЧ формируется по всей области фотомишени, т.е. "окно" фотометрирования ("окно" детектирования зарядового рельефа) образует вся мишень. В заявляемом решении областью фотометрирования для датчика 4 является центральная область фотомишени (см. фиг.3а), а для датчика 3 - вся область фотомишени, за исключением центральной (см. фиг.3б).
В камерах VSI-746 и VNI-702 в качестве синхрогенератора применяется микросхема CXD2463R фирмы SONY [3]. Возможности этой микросхемы позволяют организовать четыре режима фотометрирования мишени ПЗС-матрицы, как показано в табл.1.
Для их реализации необходимо осуществить подачу на выводы 17 и 18 микросхемы CXD2463R логических уровней сигнала. При этом на выводе 15 микросхемы CXD2463R формируется логический сигнал, обозначенный "BLC", который подается на управляющие входы аналоговых коммутаторов [3, с.8]. Один из них коммутирует "окно" автоматической регулировки времени накопления (АРВН), другой - "окно" автоматической регулировки усиления (АРУ) видеотракта.
| Таблица 1 | |||
| Номер режима по порядку | Область фотометрирования (тип "окна) | Логический уровень, подаваемый на вывод 17 | Логический уровень, подаваемый на вывод 18 |
| 1 | Вся фотомишень | 0 | 0 |
| 2 | Нижняя область фотомишени | 1 | 0 |
| 3 | Центральная область фотомишени | 0 | 1 |
| 4 | Нижняя и центральная области фотомишени | 1 | 1 |
На выводе 13 микросхемы CXD2463R устанавливается коммутируемое на конденсаторе напряжение пикового детектора АРВН. Как следует из временных диаграмм коммутирующего сигнала, приведенных в [3, с.9-12], высокий логический уровень является активным уровнем, а его временное появление в пределах кадра соответствует временному положению выбранной области фотометрирования.
Отсюда следует, что в обоих датчиках прототипа на выводы 17 и 18 каждой из микросхем CXD2463R должны быть поданы сигналы логического "0" (см. первую строку таблицы - режим 1).
В заявляемом решении для датчика 4 на вывод 17 должен быть подан сигнал логического "0", а на вывод 18 - сигнал логической "1" (см. третью строку таблицы - режим 3).
Для выполнения предустановки датчика 3 в предлагаемом изобретении аналогично необходимо подать на выводы 17 и 18 микросхемы CXD2463R сигналы логического "0" и логической "1", но на управляющий вход аналоговых коммутаторов - инвертированный сигнал "BLC". В примере схемного решения, показанном на фиг.4, для упрощения начертания изображен только один коммутатор (коммутатор для АРВН).
Объектив 1, коммутатор-смеситель 5 и видеомонитор 6 по назначению и схемотехническому исполнению не отличаются от соответствующих блоков прототипа.
Способ телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов осуществляется следующим образом.
Воспользуемся структурной схемой заявляемого устройства телевизионного наблюдения (см. фиг.1), реализующего заявляемый способ. Предварительно устройство ориентируется так, чтобы сильно освещенные и/или яркие объекты воспринимались в центральной части ее угла зрения (см. пример на фиг.5).
Как и в прототипе, входное оптическое изображение по оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, первый выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень первого датчика 3 телевизионного сигнала. Одновременно это изображение по другому оптическому пути: объектив 1, вход светоделителя 2, второй выход светоделителя 2 проецируется на фотомишень второго датчика 4 телевизионного сигнала. Предполагаем, что геометрические размеры фотомишеней датчиков 3 и 4 одинаковы, например 1/2 дюйма по диагонали.
Фотоэлектрическое преобразование оптического изображения каждого из датчиков в соответствующие видеосигналы проводится с использованием автоматической регулировки чувствительности (АРЧ). Основным регулируемым параметром АРЧ является время накопления фотоприемника на ПЗС, а дополнительным параметром - коэффициент усиления видеоусилителя.
Отметим, что оба датчика работают в режиме синхронизации по частоте и фазе кадровой и строчной разверток от сигнала синхронизации приемника (ССП) датчика 3.
В отличие от прототипа для АРЧ каждого из датчиков предусмотрена предустановка разных и взаимоисключающих областей фотометрирования.
Для датчика 4 областью фотометрирования является центральная область его фотомишени (см. фиг.3а), а для датчика 3 - вся область его фотомишени минус центральная (см. фиг.3б).
Поэтому для наблюдаемого заявляемым устройством сюжета АРЧ как датчика 4, так и датчика 3 установят различные и оптимальные значения текущей экспозиции и коэффициента усиления.
Для наблюдаемого в нашем примере сюжета (см. фиг.5) эти параметры удовлетворяют соотношениям:
Тн1>Тн2; Kу1>Ку2,
где Тн1, Kу1 и Тн2, Ку2 - длительность накопления, коэффициент усиления видеотракта соответственно для датчика 3 и для датчика 4.
Далее, как в прототипе, в пределах кадра последовательно коммутируют телевизионный сигнал от датчика 3 и датчика 4, обеспечивая формирование видеосигнала комбинированного изображения и его воспроизведение на экране видеомонитора 6.
В заявляемом решении для темных и/или низкоосвещенных объектов энергия полезного сигнала увеличивается в (Тн1/Тн2)2 раз, а энергетический шумовой порог при условии равенства дисперсий шума преобразователей "заряд - напряжение" фотоприемников уменьшится в (Kу1/Ку2)2 раз. Поэтому имеем выигрыш в отношении сигнал/шум.
Если геометрические размеры фотомишени датчика 3 превышают размеры фотомишени датчика 4, то в "окне" комбинированного изображения заявляемого решения при прочих равных условиях будет воспроизводиться увеличенное изображение с кратностью масштабирования, равной отношению этих размеров.
Работа заявляемого технического решения происходит совершенно аналогично, если режим внешней синхронизации будет осуществлен путем подачи импульсов ССП с выхода "синхро" датчика 4 на вход "синхро" датчика 3.
В настоящее время все элементы структурной схемы устройства для телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, которые реализуют все действия согласно заявляемому способу и определяют заявляемое устройство, освоены отечественной промышленностью. Поэтому следует считать предлагаемое изобретение соответствующим требованию о промышленной применимости.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент №2171014 РФ, МКИ7 H04N 5/225, 5/228. Телевизионная камера с селективным масштабированием / В.М. Смелков, Ю.А. Смоляков, Н.Н. Егорова, В.М. Петрова // Б.И. - 2001. - №20.
2. Телевизионные камеры фирмы "ЭВС", каталог, 2005 г.
3. Микросхема CXD2463R фирмы SONY. Timing Controller for CCD Camera. Инструкция для пользователя на английском языке, с.1-12.
1. Способ телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, заключающийся в том, что входное оптическое изображение проецируют на фотомишени первого и второго датчиков телевизионного сигнала, выполненных на основе матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС), синхронизируют датчики по частоте и фазе, в каждом из датчиков формирование видеосигнала выполняют с использованием автоматической регулировки чувствительности (АРЧ), в пределах кадра последовательно коммутируют полный телевизионный сигнал от первого и второго датчиков, воспроизводят сигнал комбинированного изображения на экране видеомонитора, отличающийся тем, что оптическое изображение от сильно освещенных и/или ярких объектов занимает центральную часть угла поля зрения, формирование управляющего сигнала АРЧ в каждом из датчиков выполняют по зарядовому рельефу отдельно взятой области фотомишени, причем второй датчик реализует эту функцию по центральной области фотомишени, а первый датчик - по всей области фотомишени, за исключением центральной.
2. Устройство телевизионного наблюдения в условиях сложного освещения и/или сложной яркости объектов, состоящее из последовательно расположенных и оптически связанных объектива и светоделителя, первый выход которого оптически связан с фотомишенью первого датчика телевизионного сигнала, а второй выход светоделителя - с фотомишенью второго датчика телевизионного сигнала, причем геометрические размеры фотомишеней первого и второго датчиков одинаковы, вход "синхро" второго датчика подключен к выходу "синхро" первого датчика, выход "видео" которого подключен к первому информационному входу коммутатора-смесителя, второй информационный вход которого подключен к выходу "видео" второго датчика, а выход коммутатора-смесителя подключен к входу видеомонитора, отличающееся тем, что проекции оптического кадра объектива на фотомишенях первого и второго датчиков совпадают, "окно" фотометрирования АРЧ второго датчика установлено на центральную область его фотомишени, "окно" фотометрирования АРЧ первого датчика - на всю область его фотомишени, кроме центральной, а третий информационный вход коммутатора-смесителя подключен к выходу сигнала "окошко" первого датчика телевизионного сигнала.
3. Устройство телевизионного наблюдения по п.2, отличающееся тем, что светоделитель содержит полупрозрачное зеркало, вход которого является входом светоделителя, а первый и второй выходы полупрозрачного зеркала - соответственно первым и вторым выходами светоделителя.
4. Устройство телевизионного наблюдения по п.2, отличающееся тем, что светоделитель содержит последовательно расположенные и оптически связанные полупрозрачное зеркало и отражающее зеркало, причем вход полупрозрачного зеркала является входом светоделителя, а выход отражающего зеркала и второй выход полупрозрачного зеркала - соответственно первым и вторым выходами светоделителя.
5. Устройство телевизионного наблюдения по п.2, отличающееся тем, что геометрические размеры фотомишени первого датчика телевизионного сигнала превышают соответствующие размеры второго датчика телевизионного сигнала, а их отношение определяет кратность масштабирования комбинированного изображения.
6. Устройство телевизионного наблюдения по п.2, отличающееся тем, что первый и второй датчики синхронизированы по сигналу синхронизации приемника от второго датчика, выход «синхро» которого подключен к входу "синхро" первого датчика.
